平行钢丝拉索疲劳性能理论研究
平行钢绞线和平行钢丝斜拉索对比分析
亜杨吉机等:平行钢绞线和平行钢丝斜拉索对比分析设平行钢绞线和平行钢丝斜拉索对比分析杨吉新，喻桥，石旷，鲁晓威(武汉理工大学，湖北武汉430063)摘要:斜拉索种类的选择是斜拉桥设计时必须要考虑的重要因素，目前斜拉桥使用的斜拉索主要是平行钢丝斜拉索和平行钢绞线斜拉索,而这两种斜拉索又各有特点,在很多方面还是存在较大的差别。
为此,本文通过从拉索材料、制造工艺、张拉方法、张拉力的确定、力学性能、索力测量控制等方面对比分析两种拉索的优缺点，并结合桥梁设计理论分析两种拉索的适用性，为斜拉桥设计时斜拉索种类的选择提供一定的理论参考。
关键词:斜拉桥;斜拉索;张拉力;力学性能;索力测量中图分类号:U44&27文献标识码：A文章编号：1673-5781(2019)01-0038-030引言斜拉索作为斜拉桥的重要组成部分，其制造工艺、使用材料、结构形式随着斜拉桥形式和跨径的发展而不断变化，但是总的来说主要有两大类型,分别是钢丝斜拉索和钢绞线斜拉索。
在20世纪50年代到80年代,高强度的钢丝是大跨度斜拉桥斜拉索的主要选择，为了减小成索直径，一般将钢丝紧密平行排列，所以称之为平行钢丝斜拉索。
而从20世纪80年代开始，大跨度斜拉桥开始采用钢绞线斜拉索。
最初的钢绞线斜拉索孔隙率较大。
直到20世纪90年代，为了降低钢绞线的孔隙率，紧密型钢绞线斜拉索被提出，并在法国诺曼底大桥中成功应用⑴，从此钢绞线斜拉索开始不断发展。
作为目前斜拉桥主要采用的拉索类型，两者各有优缺点，为 T更好地选择拉索类型,需要全面对比分析两者的区别。
1基本概况对比1.1使用材料平行钢丝拉索直接由镀锌高强钢丝制成;同样平行钢绞线拉索所用的材料也是高强钢丝,不同的是它是先由多根高强钢丝(一般为5根或者7根)拧成一股成为钢绞线，再由钢绞线制成斜拉索，使用的钢绞线可以是光面钢绞线、镀锌钢绞线、环氧涂层钢绞线和超耐久性钢绞线。
从使用材料来看,两者并无本质区别，只是钢绞线通过对高强钢丝进行了预处理，而这一处理会使得钢绞线的弹性模量略低于单根高强钢丝，同时涂层和绞拧处理会使得拉索结构应力松弛损失相对增大⑵。
碳纤维复合材料拉索：为什么？为什么不？会怎么样？
大发展潜力发挥 出来 的锚 固系统 ， 这种 由先进复合 材料制造的平行索具有很高的可靠性 ， 从而在试点
工 程 中应 用 。
１ ３ 碳 纤维 ．
虽然许多技术 已经成熟 ， 但如果我们不继续 向 前， 就会倒退 。作为工程师 ， 就需要不断地进行创新
以使 明天 的世界 更美 好 。创 新 始于 上一 段 中所 提 到 “ 为什 么？ 和 “ 什么 不 ？ 。“ ” 为 ” 为什 么？’ 我们 有 机 ’ 让
１ 引 言
１ １ 为 什 么？ ．
们 许 多 的“ 为什 么不 ？ 是 违 反 直觉 的或 者 在 当时 是 ” 违 反 直 觉 的 。在 研 究 者 （ ｅ ｎ ｎ ａｋ ｒ ９ ７； Ｙ ｕ ｇａ ｄ Ｐ ｒｅ，１ ８
Ｋｉ ａ ｄ Ｍｅｅ ，１ ９１；Ｒｉｋ ｌａ ａ ｄ Ｅｒ ｉ ９９１；Ｅｒ ｉ ｍ ｎ ｉ ｒ ９ ｚ ａｌ ｎ ｋ ，１ ｋ
和刚度 ， 并且能够 承受各种恶劣的化学环境和高温
收稿 日期 ：２ １ －８１ ０ １ —６ ０ 作者简介 ：乌尔斯 ・ 梅耶尔 ， ，教授 ，主要从 事复合材料及工程应用 的研究 。 男
／ ｃ
４
碳 纤维复合材料拉 索： 为什 么？为什么不？会 怎么样 ？
环境 。此 外 ， 这些 材料 的密度 低且 原材 料 容易 获 得 。
索在 土木工 程 结构 中 的应 用技 术 都是 在 过去 的
创新中逐渐积累形成的 ， 如今已趋 于成熟。但在近 ３ 年 中， ０ 许多工程的斜拉索和悬 吊索 中出现了越来
越 多 的损 伤 （ ｔ ｎａｄＳａｆ ｄ ９ ８ Ｗａ ｏ ｎ ｔｆｒ ，１８ ；Ｈａ ｌ ｎ ｓ ｏ ｍｉｏ ， ｔ
２１ ０ １年第 ５期
斜拉索损伤对在役斜拉桥体系可靠度的影响
第51卷第1期2020年1月中南大学学报(自然科学版)Journal of Central South University(Science and Technology)V ol.51No.1Jan.2020斜拉索损伤对在役斜拉桥体系可靠度的影响颜东煌1，郭鑫1,2(1.长沙理工大学土木工程学院，湖南长沙，410114；2.长沙理工大学长沙理工大公路工程试验检测中心，湖南长沙，410007)摘要：为了研究拉索腐蚀与疲劳损伤对在役斜拉桥服役安全的影响，分析平行钢丝拉索斜拉桥的时变体系可靠度。
采用串-并联模型研究平行钢丝索强度概率受拉索长度和数量的影响，对比拉索断裂产生的静力与动力效应，并基于更新响应面方法捕捉拉索断裂产生的非线性效应。
基于钢丝的疲劳试验结果评估某双塔混凝土斜拉桥的时变体系可靠度。
研究结果表明：腐蚀和未腐蚀拉索20a的抗拉强度均值分别下降32%和13%，基于串-并联模型可捕捉钢丝长度和数量效应对拉索强度概率分布均值和标准差的影响；单根拉索断裂可导致相邻拉索索力静力效应增加7%，而动力效应达到11%；基于更新响应面方法采用20个均匀设计样本点即可捕捉到该非线性效应；在“疲劳”和“腐蚀−疲劳”这2种损伤作用下，该斜拉桥在第20年的结构体系可靠指标由4.62分别下降至4.42和和2.46，表明腐蚀效应对斜拉桥运营期体系可靠度影响显著。
关键词：斜拉桥；斜拉索；体系可靠度；腐蚀；损伤中图分类号：U441+.4；U448.25文献标志码：A文章编号：1672-7207（2020）01-0213-08Influence of damage of stay cables on system reliability ofin-service cable-stayed bridgesYAN Donghuang1,GUO Xin1,2(1.School of Civil Engineering,Changsha University of Science&Technology,Changsha410114,China;2.Institute of Highway Detection,Changsha University of Science&Technology,Changsha410007,China)Abstract:In order to study the influence of cable corrosion and fatigue damage on the service safety of in-service cable-stayed bridges,the reliability index of time-varying system of parallel steel cable cable-stayed bridges was analyzed.The series-parallel model was used to study the influence of the characteristic parameters of the parallel cable strength probability on the length and quantity of the cable.The static and dynamic effects generated by the cable break were compared,and the non-resistance response surface method was used to capture the nonlinear of the cable break.Based on the fatigue test results of steel wire,the reliability of time-varying system of a double-tower concrete cable-stayed bridge was evaluated.The results show that the average tensile strength of corrosion DOI:10.11817/j.issn.1672-7207.2020.01.024收稿日期：2019−03−05；修回日期：2019−05−22基金项目(Foundation item)：国家重点基础研究发展规划(973计划)项目(2015CB057701)；国家自然科学基金资助项目(51678068)(Project(2015CB057701)supported by the National Basic Research Development Program(973Program)of China;Project(51678068)supported by the National Natural Science Foundation of China)通信作者：郭鑫，博士研究生，从事桥梁结构可靠度评估与安全控制研究；E-mail:****************第51卷中南大学学报(自然科学版)and uncorroded cables decreases by32%and13%after20a,respectively.Based on the series-parallel model,the length and quantity effects of the steel wire can be captured for the mean and standard deviation of the cable strength probability distribution.Single cable breaks can cause the static force effect of adjacent cables to increaseby7%,while the dynamic effect reaches11%.This nonlinear effect can be captured by using20uniform design sample points based on the updated response surface method.With the two damages of fatigue and corrosion-fatigue,the reliability index of the cable-stayed bridge in the20th year decreases from4.62to4.42and2.46, respectively.This phenomenon indicates the significant effect of corrosion on the reliability of the cable-stayed bridge during the operation period.Key words:cable-stayed bridge;stay cable;system reliability;corrosion;damage斜拉桥具有跨越能力大、经济性能好、外观优美等优点，是中大跨度桥梁的首选桥型。
马鞍山长江公铁大桥2100 MPa高强度钢绞线斜拉索及锚具研制
马鞍山长江公铁大桥2100 MPa高强度钢绞线斜拉索及锚具研制张强;李冰;郝玉柱;周琦【期刊名称】《桥梁建设》【年(卷),期】2024(54)1【摘要】巢马铁路马鞍山长江公铁大桥副汊航道桥为(58+168+392+168+58)m 双塔三索面钢桁梁斜拉桥,斜拉索设计采用抗拉强度2100 MPa、抗疲劳应力幅280 MPa的∅15.2 mm低松弛PE镀锌钢绞线拉索。
为保证高强度钢绞线斜拉索的力学及锚固性能,根据其技术指标要求,在1860 MPa钢绞线基础上,研制2100 MPa钢绞线及配套锚具。
通过提高钢绞线原材料盘条中C、Si、Mn元素含量及改进钢丝拉拔工艺,选择直径14.0 mm的PQS92Si-HT盘条为2100 MPa钢绞线原材料。
为提高钢绞线的锚固性能,夹片选择20CrMnTi钢,夹片长度52 mm、牙高0.45 mm、锥角6°10′、表面粗糙度R a3.2以上且表面硬度不低于56 HRC。
根据2100 MPa钢绞线锚具的载荷变化和现行锚具锚板的材料性能,锚板选择40Cr 钢,并进行调质处理。
对研制的2100 MPa钢绞线及配套锚具进行单孔锚及斜拉索锚具组件疲劳试验及疲劳后静载试验。
结果表明:研制的2100 MPa钢绞线及其锚具组件均满足规范要求,可应用于马鞍山长江公铁大桥副汊航道桥。
【总页数】7页(P1-7)【作者】张强;李冰;郝玉柱;周琦【作者单位】中铁大桥勘测设计院集团有限公司;宁安铁路公司(合肥枢纽指挥部);威胜利工程有限公司;河间市宝泽龙金属材料有限公司【正文语种】中文【中图分类】U448.27;U443.38【相关文献】1.武汉青山长江公路大桥1860 MPa级斜拉索锚具设计研究2.重庆两江大桥钢绞线斜拉索锚具螺纹结构静强度分析3.商合杭高铁芜湖长江公铁大桥2000 MPa平行钢丝斜拉索设计研究4.沪苏通长江公铁大桥主桥基础、主塔、钢桁梁及斜拉索施工技术5.沪苏通长江公铁大桥29号墩斜拉索挂设施工前置条件分析及对策因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
肇庆新区现代城市景观桥及拉索的选型
肇庆新区现代城市景观桥及拉索的选型佚名【摘要】现代城市新区建设的桥梁,除满足适用、经济、安全基本要求外,往往还要求具有该地地标功能,这样对桥梁设计提出了更高要求.以肇庆新区环路跨长利涌大桥桥型方案和拉索方案设计为例,阐述城市桥梁在合理经济范围内对功能和美学完美结合的设计选型.【期刊名称】《城市道桥与防洪》【年(卷),期】2018(000)012【总页数】5页(P97-101)【关键词】桥梁设计;拉索;选型;美学【正文语种】中文【中图分类】U443.381 桥型方案桥梁作为物质文明与精神文明的载体，对城市具有显著的地标作用。
城市桥梁的美是环境美的一部分，以桥梁和桥位周边环境为“景观主体”或“景观载体”而创造的景观（广义上的），通过桥梁景观CI（corporate identity）整体表现体系（尤其是视觉识别系统和理念识别系统），传达桥梁美、桥文化、桥精神，使观者在桥及桥域的“景”与“观”的互动过程中，对桥及桥所处区域的人文、自然、社会环境等产生一致的认知感和价值感，达到人、桥、环境的和谐统一[1]。
著名桥梁专家茅以升说：桥梁是“形成中国文化史上的里程碑”的特殊建筑，这说明桥梁包含了物质和精神两大功能[2]，使桥梁景观往往成为城市文化的聚焦及城市形象的窗口。
不同的桥型有其自身的美学特点和价值，给人不同的美学感受。
如何认识和把握这种美，是桥型设计的基础[3]。
下面对国内几种主要桥型特点简要说明。
预应力混凝土连续梁桥，上部结构由连续跨过3个以上支座的梁作为主要承重结构，造型朴实，投资造价便宜。
拱桥，是在竖直平面内以拱作为结构主要承重构件的桥梁。
拱桥是向上凸起的曲面，其最大主应力沿拱桥曲面作用，沿拱桥垂直方向的最小主应力为零。
拱桥是我国传统特色的一种桥型，造型优美，整体造价适中。
斜拉桥,是将桥面用许多拉索直接拉在桥塔上的一种桥梁，是由承压的塔，受拉的索和承弯的梁体组合起来的一种结构体系，其可看作是拉索代替支墩的多跨弹性支承连续梁。
平行钢丝施工方案(3篇)
第1篇一、工程概况本工程为某高速公路桥梁工程，桥梁全长为2000米，桥面宽度为28米，采用预应力混凝土结构。
其中，主桥采用双塔双索面预应力混凝土斜拉桥，主跨为150米，边跨为50米。
本工程平行钢丝施工主要包括主桥的斜拉索安装和锚具安装。
二、施工准备1. 施工图纸及技术文件施工前，必须熟悉施工图纸及相关的技术文件，了解施工工艺、技术要求和质量标准。
2. 施工人员及设备（1）施工人员：本项目需配备专业的施工队伍，包括项目经理、技术负责人、施工员、质量员、安全员等。
（2）施工设备：包括吊车、卷扬机、切割机、焊接机、磨光机、测量仪器、安全防护用品等。
3. 材料准备（1）平行钢丝：应符合国家标准GB/T 5224-2003《预应力混凝土用钢丝》的要求。
（2）锚具：应符合国家标准GB/T 5223-2003《预应力混凝土用锚具、夹具和连接器》的要求。
（3）其他材料：如焊接材料、防护涂料、润滑剂等。
4. 施工场地准备（1）施工便道：确保施工便道畅通，便于材料运输和人员通行。
（2）施工平台：搭建符合要求的施工平台，确保施工安全。
（3）临时设施：设置必要的临时设施，如宿舍、食堂、办公室等。
三、施工工艺1. 斜拉索安装（1）施工准备：根据设计图纸，确定斜拉索的位置、数量和规格。
准备相应的安装工具和设备。
（2）放样：在主桥两侧塔柱上，按照设计图纸进行放样，确保斜拉索的准确位置。
（3）吊装：使用吊车将斜拉索吊装至预定位置，确保吊装过程中安全。
（4）固定：将斜拉索与锚具连接，固定在塔柱上，确保斜拉索的稳定性。
（5）调整：调整斜拉索的长度和角度，使其符合设计要求。
2. 锚具安装（1）施工准备：根据设计图纸，确定锚具的位置和规格。
准备相应的安装工具和设备。
（2）放样：在主桥两侧塔柱上，按照设计图纸进行放样，确保锚具的准确位置。
（3）焊接：使用焊接机将锚具与塔柱焊接，确保焊接质量。
（4）防护：对焊接后的锚具进行防护，防止腐蚀和损坏。
上海市建筑结构拉索技术规范初稿
上海市建筑结构用索技术标准（初稿〃上海浦江缆索提供）一．概况随着国民经济的不断深入发展，基础设施的投入加大，许多桥梁、机场、体育场馆、会展中心等基础设施，不断地规划、设计、筹建、施工。
不管是业主，还是设计者都希望能有适合于建筑结构特点使用的拉索供选用。
建筑结构用拉索具有外形美观、锚具结构轻巧新颖、锚固效率高等优点。
使用这种拉索结构使建筑结构显得轻巧、美观，而且也可降低建筑结构本身的成本，特别适用于体现景点美观等公共场合。
通常，桥梁用的拉索一般是采用冷铸锚、镦头锚、夹片锚等锚具作为锚固的结构形式，如：斜拉桥、公铁两用桥、拱桥等，且都已成系列化、标准化。
建筑结构用拉索在国内还是一个新颖的产品，还没有系列化、标准化，但随着建筑业的不断发展，其优势逐渐被共识，开始被桥梁、建筑界的设计及施工单位所接受和采纳。
在国外，建筑结构用拉索已应用得相当广泛，并已形成产品系列化、结构多样化。
此种拉索按锚固形式分有冷铸锚拉索、热铸锚拉索、压接锚拉索等几类，索体材料也多种多样。
二、材料（索体和锚固）每一根拉索，都包括索体和锚具两部分，其通过不同的锚固机理进行锚固连接。
其中拉索索体为主要承受拉力，安装在两端的锚具主要传递拉力。
一般来说，拉索索体主要有以下几种形式：―——钢丝索（Wire Cable）——钢绞线索（Strand Cable）——钢丝绳索（Wire Rope）钢丝索一般为半平行钢丝束，钢丝采用高强度镀锌钢丝。
就是将若干根钢丝，平行并拢，同心向绞合而成，最外层钢丝扭绞绞合角为3±0.5°。
绞制后在钢丝束外缠绕绕包带，然后在外挤包黑色或彩色护层，护层的颜色可以指定，一般挤包护层为高密度聚乙烯，黑色聚乙烯一般为国外进口，彩色聚乙烯基料为国外进口，然后国内进行混料加工。
下图为半平行钢丝拉索剖面图。
钢绞线索就是由钢绞线组成的束股。
钢绞线既可以平行排列，也可以扭绞成型。
采用平行排列的钢绞线索一般单股钢绞线外挤包护层，然后整束包套在套管内。
钢丝绳的受力特性及弯曲疲劳寿命分析
钢丝绳的受力特性及弯曲疲劳寿命分析发表时间：2018-05-22T13:22:22.573Z 来源：《建筑学研究前沿》2017年第34期作者：张路[导读] 本文分析了钢丝绳的受力特性，并提出钢丝绳疲劳寿命的措施。
国家能源投资集团有限责任公司准格尔能源集团有限责任公司设备维修中心内蒙古自治区鄂尔多斯市 010399摘要：钢丝绳是起重运输机械中最常用的挠性构件,由于其具有强度高、挠性好、运动平稳、自重轻等优点而被广泛地应用于起升机构、变幅机构和牵引机构, 有时也被用于回转机构。
钢丝绳在使用过程中会发生疲劳、锈蚀、磨损甚至出现骤断现象, 它的实际状态关系到设备和人身安全。
许多国家早就针对钢丝绳的使用制订了相应的行业安全规程和国家检测标准, 但是, 因钢丝绳破断而造成的事故却时有发生, 因而对钢丝绳疲劳寿命的研究很有必要。
本文分析了钢丝绳的受力特性，并提出钢丝绳疲劳寿命的措施。
关键词：钢丝绳；受力特性；疲劳寿命钢丝绳是由一定规格的细钢丝拧成的柔性绳索，可用于牵引、承载、提升和拉紧，具有韧性好、无噪音、强度高、使用方便等优点，广泛应用于机械、采矿、造船、林业和冶金等行业。
钢丝绳使用的安全性是人们长期以来一直关注的问题, 因钢丝绳的损伤或破断而造成的重大事故时有发生。
造成钢丝绳断裂的原因很多, 疲劳是最主要的因素, 因而从受力角度研究钢丝绳疲劳寿命对于钢丝绳的选用有较好的指导作用。
一、钢丝绳的受力状态钢丝绳的疲劳寿命与其所受的作用力有着密切的关系。
在实际工作中, 钢丝绳受力极其复杂,不是简单的只存在某一种应力状态, 但是在进行疲劳寿命的理论研究时, 却只能以某种应力状态为研究对象。
钢丝绳在使用过程中的主要受力状态一般有以下几种:1、弯曲应力。
钢丝绳在滑轮或卷筒上卷绕时，会由于弯曲而产生弯曲应力，且钢丝绳横截面上不同位置处钢丝的弯曲应力是不同的。
当钢丝绳结构和滑轮的直径确定时，钢丝绳内钢丝的最大弯曲应力与其所处位置相关。
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2009年01月第25卷第1期 沈阳建筑大学学报(自然科学版)Journal of Shenyang J ianzhu U niversity (N atural Science ) Jan. 2009V ol.25,N o.1 收稿日期:2008-11-01基金项目:国家自然科学基金重点项目(50538020)作者简介:兰成明(1979—),男,博士研究生,主要从事结构耐久性与可靠性研究.文章编号:1671-2021(2009)01-0056-05平行钢丝拉索疲劳性能理论研究兰成明(哈尔滨工业大学土木工程学院,黑龙江哈尔滨150090)摘 要:目的建立平行钢丝拉索疲劳寿命的理论分析模型,为平行钢丝拉索的设计及疲劳评定提供理论依据.方法考虑平行钢丝拉索的特点,根据单根钢丝疲劳寿命的概率分布及线性累积损伤理论,采用Monte Carl o 方法进行模拟.结果拉索疲劳寿命由其中一小部分疲劳寿命较短的钢丝控制,拉索的疲劳寿命远远小于钢丝的疲劳寿命,以10%的断丝率作为拉索寿命的终止比较合理,此时能够保证结构具有一定的安全裕度,同时拉索得到充分利用.结论为保证拉索具有良好的疲劳性能,除了要求拉索内钢丝具有长的疲劳寿命外,还必须严格控制钢丝疲劳寿命的变异性,初始应力幅相同的条件下,增加拉索内钢丝数不影响拉索的疲劳寿命,但会降低拉索疲劳寿命的变异性.关键词:平行钢丝拉索;疲劳;概率分布;累积损伤中图分类号:U 441 文献标志码:A 0 引 言斜拉桥这种桥型出现以来,其拉索一直是斜拉桥设计者关注的焦点之一,曾经在很长的一段时间里,拉索制造工艺一直是斜拉桥发展的障碍.拉索在桥梁运营期间的安全是斜拉桥结构安全的最重要条件之一,斜拉索破坏的最主要原因是钢丝的锈蚀,疲劳及其耦合效应引起拉索内钢丝的断裂,许多斜拉桥失效事故都是由拉索失效引起的[1-4].目前,国内外大跨度斜拉桥拉索主要采用平行镀锌高强钢丝拉索,其与钢绞线拉索相比具有明显的优势:拉索由工厂预制,工艺成熟,质量稳定;冷铸锚锚固可靠;钢丝受力均匀;轴向刚度大,材料利用率高;价格相对便宜.近20年来,我国已经修建了上百座大型斜拉桥,90%以上都采用镀锌高强钢丝PE 防护拉索[5].目前国内外一般根据钢丝或拉索的S -N 曲线确定拉索的疲劳强度,拉索的疲劳强度应由疲劳试验获得,因疲劳试验费时费力,是一项庞大的试验研究工作,我国现无系统、完善、权威的拉索疲劳试验数据,更没有总结出拉索的疲劳强度计算公式,这些都给设计人员带来很大的盲目性.我国《公路斜拉桥设计规范(试行)》(JTJ 027-96)中关于拉索的疲劳强度是采用通过200万次的常幅反复加载试验来验证.此种试验的原理就是疲劳设计方法中的无限寿命设计方法,现阶段我国公路、铁路桥梁规范中有关疲劳设计皆采用此方法,无限寿命设计方法的目的就是使构件在活载引起的循环应力作用下能够长期安全使用,不产生疲劳破坏.拉索疲劳强度还可以通过对钢丝疲劳强度的折减得到,例如,瑞士B irkenm aier 指出[6],拉索的疲劳强度和钢丝的疲劳强度有如下关系Δσ拉索=Δσ钢丝/1.6.美国后张法协会斜拉桥委员会颁布的《斜拉桥设计、试验与安装条例》中指出Δσ拉索=Δσ钢丝-100.以上方法均是近似的方法且偏于保守,不能反映斜拉索在交变荷载作用下的真实性能.鉴于平行钢丝拉索的重要性,笔者根据平行钢丝拉索的特点,从钢丝疲劳寿命的概率分布进行分析,提出拉索疲劳寿命预测的理论方法,并结合钢丝的第25卷兰成明:平行钢丝拉索疲劳性能理论研究57 疲劳试验数据分析拉索疲劳性能的影响因素,为拉索设计及疲劳评定提供理论基础.1 钢丝疲劳寿命计算模型最早 B.D.C olem an 和S.L.Phoenix 建立了纤维束疲劳的理论模型[7-8],直到目前依然是研究平行钢丝束拉索疲劳的理论基础,平行钢丝拉索计算模型见图1.图1 平行钢丝束拉索计算模型 R.R ackw itz 和M.H.Faber 根据上述模型推导了考虑应力幅、钢丝长度、钢丝内平均应力、钢丝强度及钢丝面积等的钢丝疲劳寿命预测模型[9],钢丝在指定应力幅ΔS 下疲劳寿命N 概率分布服从如下W eibu ll 分布F N (N ,ΔS )=1-exp -ΔSr cαN Kαm ’,(1)式中:α,m ’和K 为未知参数,其中,r c =(cnA 0)-1/α,c 为未知参数,A 0为钢丝的截面积,对于长度为L 的钢丝,参数n 由下式确定[10]n =LL 0,(2)式中:L 0为钢丝疲劳寿命的特征长度,是表征钢丝自身材料性能的物理量,计算时假定为常数;参数n 即表征长度效应对拉索疲劳寿命的影响.参数K 可以采用如下形式表示K =K 01-m s m zr,(3)式中:K 0为未知参数;m s 为钢丝内的平均应力;m z 为钢丝抗拉强度的均值;参数γ假定等于0.5.本次疲劳试验用钢丝取自国内某斜拉桥换下的旧索,为1570级高强钢丝.疲劳试验钢丝样本长度500mm ,钢丝直径5mm ,疲劳试验加载频率30H z,实测钢丝抗拉强度均值1621M Pa,设计4个应力幅,分别为640M Pa 、500M Pa 、360M Pa 和290M Pa,应力比等于0.5.为了准确得到钢丝疲劳寿命的概率分布,每个应力幅下进行疲劳试验的钢丝数为13～15根.根据钢丝疲劳寿命服从W eibull 分布,见公式(1),由于钢丝试验样本长度相同,计算时取参数n =1,采用极大似然法估计未知参数,其中α=5112,m ’=2.15,c =1.86×104,K 0=5.94×1010.单根钢丝疲劳试验结果及计算得到的P -S -N 曲线如图2所示.从图中可以看出随着应力幅增大,钢丝的疲劳寿命逐渐减小,图中虚线表示钢丝中值S -N 曲线,钢丝中值S -N 曲线数据表达如下lgN =11.729-2.511lgΔS.(4)图2 钢丝疲劳试验结果及P -S -N 曲线2 拉索疲劳寿命模型假定拉索的疲劳寿命曲线形式如下lgN =A -B lgΔS,(5)式中:参数A 、B 可由疲劳试验确定.拉索内钢丝的疲劳断裂是随机的,同时某一根钢丝发生疲劳断裂后沿长度方向不能继续承担荷载,拉索的荷载由其内未发生疲劳断裂钢丝承担,发生荷载的重分布,荷载重分布后应力幅表达如下ΔS (N )=mi (N )ΔS,(6)式中:ΔS (N )为经过N 次疲劳应力幅循环后,未发生疲劳断裂钢丝的应力幅;i (N )为未发生疲劳断裂的钢丝数;ΔS 为初始完好状态时每根钢丝的疲劳应力幅.随着疲劳荷载循环增加,拉索内钢丝不断发生断裂,未发生疲劳断裂的钢丝上的疲劳应力幅不断增加,加速了拉索疲劳的破坏.58 沈阳建筑大学学报(自然科学版)第25卷由于钢丝疲劳断裂是随机的且随着钢丝的疲劳断裂荷载发生重分布,这一过程非常复杂,为描述拉索内钢丝疲劳断裂过程,笔者采用M onte C arlo 方法随机模拟拉索内钢丝的疲劳断裂过程.每次M on te C arlo 模拟后,根据钢丝的寿命从小到大对钢丝进行重新排序,基于M iner 疲劳破坏准则,计算拉索内每根钢丝的疲劳损伤指数M i =N i N r,(7)式中:M i 为拉索内第i 根钢丝的M iner 损伤指数;N i 为拉索内第i 根钢丝在指定应力幅ΔS 作用下的疲劳寿命;N r 为钢丝在指定应力幅ΔS 作用下的寿命均值.由M iner 准则,随着应力幅循环增加,当第一根钢丝的损伤指数等于M 1时,第一根钢丝发生破坏,剩余钢丝荷载发生重分布,随着循环继续增加,当第二根钢丝的损伤指数等于M 2时,第二根钢丝发生破坏,剩余钢丝荷载发生重分布,由公式(5)和公式(6)及M iner 准则,第i 根钢丝破坏时所经历的荷载循环数为[11]N ′i =N r∑ij =1(M j -M j-1)m m -j +1-B,(8)式中:M 0=0.从公式(8)可以看出N ′i /N r 独立于应力幅ΔS.根据上述分析可知,当单根钢丝在指定应力幅下的疲劳寿命概率分布确定后,根据拉索疲劳的理论模型,采用M onte C arlo 模拟即可得到不同断丝率条件下拉索的疲劳寿命.由于M onte C arlo 模拟结果为近似结果,随着模拟试验次数的增加计算结果趋于真实值,但计算量亦随之增大.为保证M onte C arlo 模拟的精度,研究发现,以断丝率10%作为拉索的疲劳寿命终止时,采用2000次模拟得到的拉索寿命均值与采用6000次模拟得到的拉索疲劳寿命变化率小于1%,精度能够满足要求,因此后面所有计算均采用2000次的模拟结果.根据前述给出的钢丝疲劳寿命概率分布参数,以应力幅ΔS =360M Pa 为例,在此条件下,钢丝疲劳寿命服从均值为2.141×105,变异系数为0.446的W eibull 分布,假定拉索内钢丝数为300根.图3给出单根拉索常荷载幅与常应力幅作用下,拉索寿命与单丝寿命均值比值随拉索断丝率的变化关系,计算时取参数n =1.对于常应力幅的情况,即拉索内未断的钢丝应力幅始终不变,曲线相当于单根钢丝疲劳寿命的累积分布函数.图3 常荷载幅与常应力幅拉索寿命比较 从图3中可以看出,在断丝率小于10%时,两条曲线基本相同,但是对于考虑荷载重分配的常荷载幅情况,当拉索的断丝率达到20%后,拉索的断丝率陡增,整根拉索在疲劳荷载作用下迅速发生破坏,因此,在进行拉索疲劳设计及安全评定时,有理由定义以10%的断丝率作为拉索寿命的终止,此时能够保证结构具有一定的安全裕度,从上述的计算结果可以看出,斜拉索的疲劳寿命是由其中组成拉索的一小部分疲劳寿命较短的钢丝控制,因此,斜拉索的疲劳寿命的均值远小于钢丝疲劳寿命的均值.3 拉索疲劳寿命的影响因素3.1 S -N 曲线参数B 的影响拉索S-N 曲线参数B 对拉索疲劳寿命影响的计算结果见图4,其中单丝疲劳寿命服从前述W eibull 分布,参数B 取值范围为[2,4.5],从计算图4 参数B 对拉索疲劳寿命的影响第25卷兰成明:平行钢丝拉索疲劳性能理论研究59 结果可以看出,当断丝率为5%、10%时,参数B对拉索的疲劳寿命影响较小,但是当断丝率为20%,特别是断丝率为30%时,参数B 对拉索的疲劳寿命影响则比较明显,随着参数B 增大,拉索的疲劳寿命逐渐降低. 当断丝率较小时,拉索S -N 曲线参数B 对拉索的疲劳寿命影响很小,主要原因是断丝率较小时,荷载重分配并不明显,钢丝内的应力幅增加并不明显,从而导致拉索S -N 曲线参数B 对拉索的疲劳寿命影响不大.3.2 长度效应的影响图5给出不同n 条件下整根钢丝的疲劳寿命均值与疲劳试验测得n =1时钢丝疲劳寿命均值的比值的变化关系,其中n =1时单丝疲劳寿命服从前述W eibull 分布,同时给出不同钢丝疲劳寿命变异系数δ=0.1和δ=0.3情况下,该比值的变化关系.图5 长度效应对钢丝疲劳寿命的影响 从图5中可以看出参数n 相同的条件下,变异系数δ越大,则整根钢丝的疲劳寿命越低;变异系数不变的条件下,整根钢丝的疲劳寿命随参数n 的增加而降低,且变异系数越大,整根钢丝疲劳寿命下降越多,显然,参数n 增大意味着钢丝的长度增加,则钢丝的疲劳寿命均值必将降低,即考虑长度效应对钢丝疲劳寿命产生的影响.从图中可以看出长度效应对钢丝疲劳寿命影响非常大,在具体应用时应该准确估计参数n 值.参数n 对拉索疲劳寿命影响的计算结果见图6. 图中给出了不同钢丝疲劳寿命变异系数及不同断丝率条件下拉索疲劳寿命与钢丝疲劳寿命均值的比值随参数n 的变化关系.从图中可以看出,参数n 相同的条件下,钢丝疲劳寿命的变异系数对拉索疲劳寿命影响非常大,钢丝疲劳寿命的变异系数越大,则拉索的疲劳寿命降低越多;钢丝疲劳寿命变异系数相同的条件,参数n 增大,则拉索的疲劳寿命降低,同时钢丝疲劳寿命变异性越大参数n 对拉索疲劳寿命的影响越明显.图6 长度效应对拉索疲劳寿命的影响3.3 拉索内钢丝数的影响拉索内的钢丝数目对拉索疲劳寿命的影响计算结果见图7,图中给出以5%、10%、20%及30%图7 钢丝数对拉索疲劳寿命的影响断丝率作为拉索的疲劳寿命,单根钢丝的疲劳寿命服从前述W eibull 分布,参数n =1,拉索内的钢丝数从100根到1000根情况下,拉索疲劳寿命的均值及失效概率为5%时拉索的疲劳寿命计算结果.从计算结果可以看出,拉索内的钢丝数对拉索疲劳寿命的均值基本没有影响,即初始应力幅相同的情况下,拉索疲劳寿命的均值与其组成的钢丝数无关,并不是拉索内的钢丝数越多,拉索疲劳寿命均值越大、拉索越安全.60 沈阳建筑大学学报(自然科学版)第25卷 从图7中可以看出,不同断丝率条件下,随着拉索内钢丝数的增加,失效概率为5%的拉索疲劳寿命均逐渐增加,有渐近于拉索的平均寿命的趋势.这表明随着拉索内钢丝数量增加,拉索疲劳寿命的变异性逐渐减小.拉索内的钢丝可以看作一个无穷大集合的子样本,当样本数量少时,样本的变异性就大,样本数量大时,样本的变异性就小.随着拉索内钢丝数的增加,拉索的疲劳寿命变异性减小,拉索的疲劳性能趋于稳定.4 结 论笔者根据平行钢丝拉索的特点,考虑单根钢丝疲劳寿命的概率分布,建立了平行钢丝拉索疲劳寿命计算的理论模型,通过M onte C arlo模拟计算拉索的疲劳寿命,得到如下结论:(1)拉索的疲劳寿命是由其中组成拉索的一小部分疲劳寿命较短的钢丝控制,拉索的疲劳寿命远小于钢丝的疲劳寿命,以10%的断丝率作为拉索寿命的终止比较合理,此时能够保证结构具有一定的安全裕度,同时拉索得到充分利用;(2)长度效应对钢丝及拉索疲劳寿命的影响较大,设计计算时应该谨慎考虑;(3)初始应力幅相同的条件下,拉索内的钢丝数不影响拉索的疲劳寿命,但钢丝数增多会降低拉索疲劳寿命的变异性;(4)为保证拉索具有良好的疲劳性能,除了要求拉索内钢丝具有长的疲劳寿命外,还必须严格控制钢丝疲劳寿命的变异性.参考文献:[1] 王文涛.斜拉桥换索工程[M].北京:人民交通出版社,1997.[2] 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The variability of cable fatigue life decreases as the num ber of w ires increases and the m ean cable life is in2 sensitive to the num ber of w ires in cable.Key words:parallel w ire cable;fatigue;p robability distribution;cum ulative dam age。