摘 要

斜拉桥是一种外形美观、受力合理的桥梁，近年来在桥梁建设中被广泛采用。然而，斜拉桥所处环境中较大的风荷载会使桥体发生较大变形，进而引起斜拉索在交变应力状态下的疲劳损伤。本文以某长江大桥为背景，研究了斜拉索在承受风载时的疲劳可靠度及疲劳损伤。主要研究内容如下：

1、完成了运用谐波叠加法进行的脉动风场模拟，计算并分析了斜拉桥拉索在脉动风场中的可靠度及其变化。分析表明：与长索相比，靠近桥塔的短索一般具有较高的可靠度。

2、进行了变刚度拉索在风载作用下的疲劳可靠度计算与分析。分析结果为：一定范围内，边跨最长索的可靠度随刚度变化较为明显：刚度越大，疲劳可靠度越高。而中跨最长索及最短索可靠度则受刚度变化影响不明显。

3、进行了在附近拉索发生单拉索断裂时，指定拉索的疲劳可靠度计算及分析。分析表明：仅在文中所列条件下，边跨最长索的可靠度受与断裂拉索距离这一因素影响较为显著：距离越大，影响越小。而中跨最长索及最短索则受附近拉索断裂影响不明显。

关键词：斜拉索；脉动风场；疲劳可靠度；疲劳损伤

Abstract

The cable-stayed bridge has been widely used because of its artistic appearance and rational strength in the few past years. However, the bridge will have deformation under wind load, and fatigue damage of cable system may occur caused by alternating stress. Taking one Yangtze River Bridge as a project background, the analysis of fatigue reliability and fatigue damage under wind load of stay cable is carried on，the main research is as follows：

1、Simulation of fluctuating wind field used by harmony superposition method was done, and analysis of fatigue reliability and fatigue damage under wind load of cable system was implemented. The analysis results show that, the short cable near the tower is more reliable compared with the long one.

2、Analysis of fatigue reliability and fatigue damage under wind load of stiffness variable cable system was implemented. The analysis results show that, the fatigue reliability of the longest side span cable increase with the increase of stiffness. But cables of midspan haven’t showed such obvious characteristics.

3、Analysis of fatigue reliability and fatigue damage when single cable break occurred was implemented. The analysis results show that, the fatigue reliability of the longest side span cable increase with the increase of the distance which between the broken one and that cable. But midspan cables haven’t showed such obvious characteristics.

Keywords: stay cable; fluctuating wind field; fatigue reliability; fatigue damage

目录

第1章 绪论…………………………………………………………………………………….1

1.1 研究背景及意义…………………………………………………………………………1

1.2斜拉桥的发展概况……………………………………………………………………….1

1.2.1斜拉桥的自身特点…………………………………………………………………..1

1.2.2国内外的发展过程…………………………………………………………………..2

1.2.3斜拉桥的发展前景…………………………………………………………………..2

1.3风载作用下斜拉桥拉索的研究………………………………………………………….3

1.3.1风载作用下拉索的振动形式………………………………………………………..3

1.3.2风载作用下拉索振动的研究成果…………………………………………………..4

1.4主要研究内容………………………………………………………………………….…5

第2章 疲劳可靠度分析…………………………………………………………………….…5

2.1疲劳的基本概念………………………………………………………………………….5

2.2材料的S-N曲线………………...……………………………………………………….6

2.3雨流计数法………………………………………………………………………………7

2.4疲劳可靠度的分析………………………………………………………………………8

2.4.1线性疲劳累计损伤理论…………………………………………………………….8

2.4.2等效应力幅………………………………………………………………………….9

2.4.3斜拉索疲劳可靠度………………………………………………………………….9

第3章 动力特性分析……………………..……..………………………………………..…10

3.1工程简介……………………………………..………………………………..………..10

3.1.1工程概况…………………………………..…………………………………….....10

3.1.2基本构造…………………………………………………………………………...11

3.1.3主要技术标准……………………………………………………………………...11

3.2 模型建立………………………….……………………………………………………12

3.2.1建模软件…………………………………………………………………………...12

3.2.2有限元模型的建立………………………………………………………………...12

3.3动力特性分析结果……………………………………………………………………..14

3.3.1动力特性分析方法………………………………………………………………...14

3.3.2动力特性计算及分析……………………………………………………………...14

第4章 风载作用下斜拉索疲劳可靠度分析………………………………………………..19

4.1脉动风场模拟方法……………………………………………………………………..19

4.2模型斜拉索可靠度分析………………………………………………………………..20

4.3变刚度条件下斜拉索可靠度分析………………………..…………………………….23

4.3.1边跨最长索A1……………………………………………………………………..24

4.3.2中跨最长索B1……………………………………………………………………..25

4.3.3中跨最短索B16……………………………………………………………………25

4.4某索断裂条件下斜拉索可靠度分析…………………………………………………...26

4.4.1边跨最长索A1……………………………………………………………………..26

4.4.2中跨最长索B1……………………………………………………………………..28

4.4.3中跨最短索B16……………………………………………………………………29

第5章 结论…………………………………………………………………………………...31

5.1主要研究内容…………………………………………………………………………...31

5.2主要研究结论…………………………………………………………………………...31

5.3今后研究展望…………………………………………………………………………...31

参考文献…...……...…………………………………………………………………………...32

致谢…………………………………………………………………………………………….33

第1章 绪论

1. 研究背景及意义

典型的斜拉桥由斜拉索、塔柱和主梁组成，其中，斜拉索系统是斜拉桥体系中最为重要的环节，其设计寿命一般在30年以上。20世纪50年代，世界首座现代斜拉桥在瑞典建成，自此，斜拉桥逐渐凭借其卓越的性能和柔美的外形成为了大跨度桥梁界的宠儿，在世界各地层出不穷。

然而，Tacoma峡谷大桥的风毁引起了各界人群的广泛关注，将对大跨桥梁的风振性能的研究工作提上了日程。大跨度桥梁往往处于风荷载较大的环境中，且大跨度斜拉桥结构刚度相对较低，在风力作用下变形大。桥体的变形会引起斜拉索的振动，使得拉索长期处于交变应力状态中，极易导致疲劳损伤的发生。现存服役时间较长的斜拉桥均有一定程度的拉索疲劳问题，这对整体结构的安全性造成了一定的威胁：一旦一根斜拉索发生突然断裂，很可能导致结构的突然破坏，遭受灾难性的损失。

在进行风载作用下斜拉桥拉索疲劳可靠度分析的过程中，需要运用软件计算，得到选定斜拉索在风载作用下的疲劳应力时程，并以得到的应力幅值作为依据，进行疲劳可靠度及累计疲劳损伤的计算。这对提高桥梁结构的安全性、斜拉索使用寿命与可靠度均具有重要的理论与实践意义。