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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。 2100433B
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图1为本次接触面剪切特性试验示意图。因研究的重点为土体与钢管桩间的界面特性,故选用钢槽,当然也可选用其他材料。钢槽内可盛水,保证土样饱和。试样初始高为2cm的圆柱样,底面积为3000mm2,共用13个叠环,每个叠环高1.5mm;叠环和土样之间有橡皮膜,其作用是防止剪切试验过程中土颗粒从叠环之间挤出,不限制土样与外界的水交换。对最下面一叠环的水平位移进行监测,以及通过钢槽水平位移的同步监测,可以得到土样与接触面间的相对位移,如图1所示。
(1)应力与位移关系曲线
对淤泥质粉质黏土,选取其中σn=41.90kPa,其典型试验结果如图2所示。
图2中,σn由图1中位移传感器1测得,是土样在动力单剪过程中土样的竖向变形;土体位移由位移传感器2测得,是土样在动力单剪过程中土样的最下一叠环的位移;总位移由位移传感器3测得,是剪切盒在动力单剪过程中的位移。位移传感器3和位移传感器2的差即为接触面的相对位移。
静力单剪试验结果表明,随着剪切过程的推进,初期剪应力迅速增大,其后增长速率逐渐减小,剪应力最终趋于稳定,没有出现软化现象;总位移保持较为持续稳定的增长状态;土体位移在剪切初期增长较快,达到一定位移量后(约2.2 mm)增长变缓;总位移的增长特性没有大的变化,即在剪切初期,总位移主要是土体的剪切位移,达到一定位移量后,土体和钢板之间开始出现较为明显的滑移;法向位移逐渐减小,即剪切使得土体体积减小,并趋于稳定。静力单剪试验得到的其他3个法向应力下的结果如图3所示。由图可见,不同法向应力下总位移和土体位移的变化规律基本相同,即土体的位移(或应变)增加到一定量后界面的错动滑移明显增加,但粉砂土的试验结果有差异(图4),界面的错动滑移一开始就增加较快,土体的位移增加比较缓慢。
(2)剪应变与错动位移的关系
将试验过程中的土体剪切应变与接触面间的错动位移整理成图5所示的关系曲线。由图可以看出,在4个不同法向应力作用下一定的剪应变范围内,错动位移和剪应变之间有近似的线性关系,因此认为,在该阶段土体变形和错动位移是同步的;错动位移随剪应变增大而增大,且剪切位移的较大,当超过一定剪应变后,错动位移和剪应变之间仍基本有线性关系,但接触面错动滑移突然增大。剪应力较小时,主要产生土体变形,接触面的位移不明显;剪应力较大时,土体应变已经达到一定数值,此时主要产生接触面上的错动位移。
将试验过程中的土体剪切应变与接触面间的错动位移整理成图5所示的关系曲线。由图可以看出,在4个不同法向应力作用下一定的剪应变范围内,错动位移和剪应变之间有近似的线性关系,因此认为,在该阶段土体变形和错动位移是同步的;错动位移随剪应变增大而增大,且剪切位移的较大,当超过一定剪应变后,错动位移和剪应变之间仍基本有线性关系,但接触面错动滑移突然增大。剪应力较小时,主要产生土体变形,接触面的位移不明显;剪应力较大时,土体应变已经达到一定数值,此时主要产生接触面上的错动位移。
(1)应力-位移曲线
选择了4个法向应力和4个剪切振幅对淤泥质粉质黏土进行试验,其中σn= 41.90kPa,稳定状态时土样最大切向位移δ2max=3.00mm的淤泥质粉质黏土的试验和动力单剪前10个循环试验结果如图6所示。
由图6(a)可以看出,动单剪试验中保持剪应力按照正弦波功率输出的情况下,土样和剪切盒位移均表现出初始幅值大,后逐渐减小,经过3~5个循环迅速趋于稳定的现象;竖向位移变化则更迅速,在首个单剪循环已经完成大部分的变形量。图6(b)为界面动剪应力与动滑移的滞回曲线,试验起始阶段,剪应力增加较快,界面位移较小,但第一个循环的动模量并不大。图6(c)为试验中的总位移、土体位移、界面错动位移与循环周数的曲线,位移的同步性较好。
(2)剪应变与错动位移的关系
σn= 41.90kPa时不同剪应力幅值的动单剪试验的总位移、界面位移与土体应变的关系曲线。
由试验结果可以看出,4个不同剪应力幅值得到的界面错动位移和剪应变之间有较好的线性关系,且在其他3个法向应力下也有同样的试验结果。试验结果表明,对于淤泥质粉质黏土,静、动力单剪试验中得到土体应变与界面错动位移之间有线性关系。由于确定界面特性参数的试验比较繁琐,试验条件不足时土体与结构界面的特性参数可由相邻土体的应力-应变特性,通过一比例系数进行换算。静、动力试验界面位移与土体应变关系线的斜率值,动力试验因剪应力幅值不同有不同的斜率,总体上静力试验结果高于动力试验值;随着剪应力幅值的减小,斜率减小;如选用平均值也有可行性。
由试验结果可以看出,4个不同剪应力幅值得到的界面错动位移和剪应变之间有较好的线性关系,且在其他3个法向应力下也有同样的试验结果。试验结果表明,对于淤泥质粉质黏土,静、动力单剪试验中得到土体应变与界面错动位移之间有线性关系。由于确定界面特性参数的试验比较繁琐,试验条件不足时土体与结构界面的特性参数可由相邻土体的应力-应变特性,通过一比例系数进行换算。静、动力试验界面位移与土体应变关系线的斜率值,动力试验因剪应力幅值不同有不同的斜率,总体上静力试验结果高于动力试验值;随着剪应力幅值的减小,斜率减小;如选用平均值也有可行性。
前言
1 筑坝材料静动力特性试验研究概述
1.1 工程概况
1.2 坝料性质
1.3 试验内容
2 筑坝材料现场取样
2.1 试料来源
2.2 取样方法
2.3 现场取样情况
3 筑坝材料试样制备及试验方案
3.1 试样制备
3.2 试验方案
4 筑坝材料试验设备与试验过程
4.1 试验设备
4.2 试验过程
5 筑坝材料试验成果
5.1 试验成果计算
5.2 试验成果
5.3 试验成果汇总
6 筑坝材料试验结论
7 面板堆石坝动力计算分析概述
7.1 地震对面板坝应力变形性状的影响
7.2 立项背景
7.3 地震动力计算的主要内容
8 静动力有限元计算原理和方法
8.1 单元分析
8.2 静力计算方法
8.3 材料的静力本构关系
8.4 动力计算方法
8.5 动力计算本构模型
8.6 动水压力
8.7 地震永久变形
8.8 抗震稳定性
9 静力非线性有限元计算与分析
9.1 坝体有限元模型
9.2 静力计算参数
9.3 坝体填筑加载过程
9‘4 三维非线性静力计算成果与分析
9.5 三维静力参数敏感性分析
9.6 二维非线性静力计算结果与分析
9.7 二维静力参数敏感性分析
10 面板坝动力非线性有限元计算与分析·.
10.1 三维动力计算参数及加速度的输入
l0.2 三维非线性动力计算结果与分析
10.3 三维动力特性参数敏感性分析
10.4 二维非线性动力计算结果与分析
10.5 二维动力参数敏感性分析
11 有限元计算成果总结及结论
11.1 有限元计算成果总结
11.2 结论
参考文献 2100433B
批准号 |
59809005 |
项目名称 |
岩石非线性流变损伤断裂特性及工程应用 |
项目类别 |
青年科学基金项目 |
申请代码 |
E0905 |
项目负责人 |
陈有亮 |
负责人职称 |
教授 |
依托单位 |
上海大学 |
研究期限 |
1999-01-01 至 2001-12-31 |
支持经费 |
13(万元) |