拱桥吊杆力学行为及损伤演化研究

在近十年的桥梁毁坏事故以中、下承式拱桥为最，而其起因大多是拱桥吊杆、尤其是短吊杆的断裂，其机理有别于传统拱桥理论所关注的失稳或振动破坏。吊杆作为中、下承式拱桥的关键而又易损的构件，目前对其损伤机理尚未取得深刻的认识，在其健康诊断方面更缺乏可靠的方法。本项目针对中、下承式拱桥结构的安全性问题，对吊杆的受力行为和损伤演化机理开展研究，以掌握拱桥吊杆在桥梁恒载、交通荷载、振动和温差等作用下的力学行为，建立吊杆及其内部钢丝应力的精细化分析模型和相关计算表达式，提出拱桥吊杆的疲劳损伤模型及分析方法，获得在出现钢丝锈蚀或断丝后吊杆内钢丝应力重分布规律和整个吊杆的损伤演化机理。本项目的研究旨在为现代拱桥关键部件的设计原理和准则建立理论基础，同时为发展拱桥安全监测和评估方法、开发吊杆拱桥的损伤检测技术、确保我国大量吊杆拱桥的安全运营提供必要的理论支持。

近年发生的桥梁毁坏事故中，柔性吊杆拱桥占有相当大的比例，而其起因大多是拱桥吊杆、尤其是短吊杆的断裂。吊杆作为中、下承式拱桥的关键而又易损的构件，目前对其损伤机理尚未取得深刻的认识，在其健康诊断方面更缺乏可靠的方法。本项目着力于拱桥吊杆力学行为及损伤演化的关键问题，对柔性吊杆内部钢丝应力精细化模型和吊杆内钢丝的损伤退化机理进行了深入的研究。完成的主要研究工作和成果包括：（1）对吊杆的受力行为和损伤退化主要机理展开了研究，通过对桥面竖向及纵向振动作用下吊杆截面应力的理论推演和参数分析，探讨了车速和修正驱动频率等参数对吊杆截面应力分布的影响，构建了钢丝锈蚀检测结果与力学性能退化的数据库，提出了新的钢丝损伤模型双折线近似计算方法，得到了吊杆损伤退化的主要机理。（2）建立了吊杆及其内部钢丝应力的精细化分析模型，以实际工程中的半平行钢丝索为研究对象，系统深入地研究了不/考虑钢丝间接触变形时完好钢丝索、对称断丝和非对称断丝时的损伤拉索的静力拉伸力学行为。（3）通过理论推导和有限元模拟研究了断丝后吊杆截面内力重分布规律和吊杆截面内断丝演化过程。本项目为拱桥柔性吊杆的设计和状态评估建立了一定的理论基础，为退化吊杆的精细化分析提供了新思路，对开发柔性吊杆拱桥的损伤检测技术乃至确保我国大量吊杆拱桥的安全运营具有重要的指导意义。