缆索截面非线性静动力弯曲特性试验研究及工程应用

修建大跨度公路、铁路斜拉桥和悬索桥，需要采用大直径的缆索（斜拉索或悬索）。大截面缆索弯曲时产生的钢丝弯曲应力相当显著,如斜拉索应力腐蚀及疲劳断丝等问题都与缆索振动时钢丝弯曲应力过大有关。梁弯曲计算采用的平截面假定，不能准确反映缆索结构弯曲时的受力特性，采用平截面假定模型计算缆索静动力弯曲内力及应力的误差比较大。本项研究提出缆索弯曲时的静动力截面特性与缆索初张力、横截面约束及弯曲变形大小有关，即缆索的截面弯曲惯性矩不是常数的新观点，采用大尺寸截面的缆索室内模型静动力弯矩加载试验和悬索桥主缆的现场静力测试，研究缆索截面在不同初始条件下的非线性弯曲变形机理，获得分别用于计算缆索截面静动力弯曲变形内力与应力的"等效截面弯曲参数曲线"，在此基础上，建立不同初始条件下考虑截面非线性弯曲影响的缆索静动力精细化分析有限元单元。将研究结果用于大截面缆索结构静动力非线性分析，以提高缆索结构应力计算精度。

缆索截面弯曲应力对钢丝的疲劳寿命和应力腐蚀影响非常大，但其大小受索的张力、横截面的径向力和弯曲程度的影响显著，且钢丝间可能产生滑移，弯曲应力与弯曲变形间呈非线性关系，既有的计算理论不能正确反映索结构弯曲变形与弯曲应力间的关系，因此需要通过试验来研究其机理，建立各因素对索弯曲应力影响的关系，在此基础上建立理论分析方法，以使研究成果更直接地应用到工程中。项目基于以上背景，开展了大截面平行钢丝索在有拉力情况下的弯曲特性试验研究；基于钢丝分层滑移的认识，建立了钢丝弯曲应力计算的非线性精细化计算方法。通过模型试验、理论模拟和现场测试，项目研究取得成果如下。.利用成功试制的自平衡支架和加力机构，进行了4根平行钢丝索股在不同拉力、不同径向力和不同索长条件下的索端弯曲加载下的应力与变形测试。试验结果表明：平行钢丝索股将随弯曲转角的增大而开始分层滑移，随着滑移的扩大，索股截面的上下边缘的应力差随转角变化的趋势减小，说明滑移将降低索股的弯曲应力；索股的初应力、径向力越大，全滑移时的转角越大，表明钢丝索股拉力或径向力越大，其索股端部受弯曲影响产生的弯曲应力越大；索股自由长度对钢丝滑移影响比较小，一般超出索股直径的10倍后，长度几乎无影响；钢丝滑移后，索股截面的抗弯刚度大幅度降低，一般仅为未滑移前的1/10或更小；钢丝的滑移大幅度减小了索股弯曲引起的应力；从课题研究得到的试验数据，可获得索股钢丝滑移前后，索股抗弯刚度与索张力的关系，可为实际索在有张力下的弯曲应力计算提供依据；.基于试验的认识，建立了平行钢丝索股分层滑移的精细化计算方法，通过对比61丝索股在各工况时的测试结果与计算结果可见，应力及变形的计算值与测试值一致，表明分层单元模型能够完全反应索股在拉弯荷载作用下的应力及变形特性；.实际悬索桥鞍座出口处和索夹处弯曲次应力测试及分析表明，基于过去的理论公式计算成桥状态时的主缆二次应力显著低于测试值，而基于梁单元计算得到的弯曲应力远高于实际的次应力，因此应利用分层滑移理论计算才能得到较准确的结果。.理论分析表明，索的抗弯刚度对索振动特性和大幅度振动响应的影响较小。.利用本项目试验和理论研究的认识，可发展弯曲次应力更小的新型索结构；可建立更准确的索弯曲应力计算方法，为索锚固端更准确的应力分析提供手段。.在基金资助下，课题研究发表有标注的论文12篇，其中EI检索论文 6篇；培养2名博士研究生。