纜索截面非線性靜動(dòng)力彎曲特性試驗(yàn)研究及工程應(yīng)用

纜索截面彎曲應(yīng)力對(duì)鋼絲的疲勞壽命和應(yīng)力腐蝕影響非常大，但其大小受索的張力、橫截面的徑向力和彎曲程度的影響顯著，且鋼絲間可能產(chǎn)生滑移，彎曲應(yīng)力與彎曲變形間呈非線性關(guān)系，既有的計(jì)算理論不能正確反映索結(jié)構(gòu)彎曲變形與彎曲應(yīng)力間的關(guān)系，因此需要通過(guò)試驗(yàn)來(lái)研究其機(jī)理，建立各因素對(duì)索彎曲應(yīng)力影響的關(guān)系，在此基礎(chǔ)上建立理論分析方法，以使研究成果更直接地應(yīng)用到工程中。項(xiàng)目基于以上背景，開展了大截面平行鋼絲索在有拉力情況下的彎曲特性試驗(yàn)研究；基于鋼絲分層滑移的認(rèn)識(shí)，建立了鋼絲彎曲應(yīng)力計(jì)算的非線性精細(xì)化計(jì)算方法。通過(guò)模型試驗(yàn)、理論模擬和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，項(xiàng)目研究取得成果如下。 利用成功試制的自平衡支架和加力機(jī)構(gòu)，進(jìn)行了4根平行鋼絲索股在不同拉力、不同徑向力和不同索長(zhǎng)條件下的索端彎曲加載下的應(yīng)力與變形測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果表明：平行鋼絲索股將隨彎曲轉(zhuǎn)角的增大而開始分層滑移，隨著滑移的擴(kuò)大，索股截面的上下邊緣的應(yīng)力差隨轉(zhuǎn)角變化的趨勢(shì)減小，說(shuō)明滑移將降低索股的彎曲應(yīng)力；索股的初應(yīng)力、徑向力越大，全滑移時(shí)的轉(zhuǎn)角越大，表明鋼絲索股拉力或徑向力越大，其索股端部受彎曲影響產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力越大；索股自由長(zhǎng)度對(duì)鋼絲滑移影響比較小，一般超出索股直徑的10倍后，長(zhǎng)度幾乎無(wú)影響；鋼絲滑移后，索股截面的抗彎剛度大幅度降低，一般僅為未滑移前的1/10或更??；鋼絲的滑移大幅度減小了索股彎曲引起的應(yīng)力；從課題研究得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可獲得索股鋼絲滑移前后，索股抗彎剛度與索張力的關(guān)系，可為實(shí)際索在有張力下的彎曲應(yīng)力計(jì)算提供依據(jù)； 基于試驗(yàn)的認(rèn)識(shí)，建立了平行鋼絲索股分層滑移的精細(xì)化計(jì)算方法，通過(guò)對(duì)比61絲索股在各工況時(shí)的測(cè)試結(jié)果與計(jì)算結(jié)果可見，應(yīng)力及變形的計(jì)算值與測(cè)試值一致，表明分層單元模型能夠完全反應(yīng)索股在拉彎荷載作用下的應(yīng)力及變形特性； 實(shí)際懸索橋鞍座出口處和索夾處彎曲次應(yīng)力測(cè)試及分析表明，基于過(guò)去的理論公式計(jì)算成橋狀態(tài)時(shí)的主纜二次應(yīng)力顯著低于測(cè)試值，而基于梁?jiǎn)卧?jì)算得到的彎曲應(yīng)力遠(yuǎn)高于實(shí)際的次應(yīng)力，因此應(yīng)利用分層滑移理論計(jì)算才能得到較準(zhǔn)確的結(jié)果。 理論分析表明，索的抗彎剛度對(duì)索振動(dòng)特性和大幅度振動(dòng)響應(yīng)的影響較小。 利用本項(xiàng)目試驗(yàn)和理論研究的認(rèn)識(shí)，可發(fā)展彎曲次應(yīng)力更小的新型索結(jié)構(gòu)；可建立更準(zhǔn)確的索彎曲應(yīng)力計(jì)算方法，為索錨固端更準(zhǔn)確的應(yīng)力分析提供手段。 在基金資助下，課題研究發(fā)表有標(biāo)注的論文12篇，其中EI檢索論文 6篇；培養(yǎng)2名博士研究生。 2100433B

修建大跨度公路、鐵路斜拉橋和懸索橋，需要采用大直徑的纜索（斜拉索或懸索）。大截面纜索彎曲時(shí)產(chǎn)生的鋼絲彎曲應(yīng)力相當(dāng)顯著,如斜拉索應(yīng)力腐蝕及疲勞斷絲等問(wèn)題都與纜索振動(dòng)時(shí)鋼絲彎曲應(yīng)力過(guò)大有關(guān)。梁彎曲計(jì)算采用的平截面假定，不能準(zhǔn)確反映纜索結(jié)構(gòu)彎曲時(shí)的受力特性，采用平截面假定模型計(jì)算纜索靜動(dòng)力彎曲內(nèi)力及應(yīng)力的誤差比較大。本項(xiàng)研究提出纜索彎曲時(shí)的靜動(dòng)力截面特性與纜索初張力、橫截面約束及彎曲變形大小有關(guān)，即纜索的截面彎曲慣性矩不是常數(shù)的新觀點(diǎn)，采用大尺寸截面的纜索室內(nèi)模型靜動(dòng)力彎矩加載試驗(yàn)和懸索橋主纜的現(xiàn)場(chǎng)靜力測(cè)試，研究纜索截面在不同初始條件下的非線性彎曲變形機(jī)理，獲得分別用于計(jì)算纜索截面靜動(dòng)力彎曲變形內(nèi)力與應(yīng)力的等效截面彎曲參數(shù)曲線，在此基礎(chǔ)上，建立不同初始條件下考慮截面非線性彎曲影響的纜索靜動(dòng)力精細(xì)化分析有限元單元。將研究結(jié)果用于大截面纜索結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力非線性分析，以提高纜索結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算精度。

直接單剪試驗(yàn)試驗(yàn)儀器

圖1為本次接觸面剪切特性試驗(yàn)示意圖。因研究的重點(diǎn)為土體與鋼管樁間的界面特性，故選用鋼槽，當(dāng)然也可選用其他材料。鋼槽內(nèi)可盛水，保證土樣飽和。試樣初始高為2cm的圓柱樣，底面積為3000mm²，共用13個(gè)疊環(huán)，每個(gè)疊環(huán)高1.5mm；疊環(huán)和土樣之間有橡皮膜，其作用是防止剪切試驗(yàn)過(guò)程中土顆粒從疊環(huán)之間擠出，不限制土樣與外界的水交換。對(duì)最下面一疊環(huán)的水平位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以及通過(guò)鋼槽水平位移的同步監(jiān)測(cè)，可以得到土樣與接觸面間的相對(duì)位移，如圖1所示。

直接單剪試驗(yàn)靜力試驗(yàn)結(jié)果分析

（1）應(yīng)力與位移關(guān)系曲線

對(duì)淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，選取其中σ_n=41.90kPa，其典型試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2中，σ_n由圖1中位移傳感器1測(cè)得，是土樣在動(dòng)力單剪過(guò)程中土樣的豎向變形；土體位移由位移傳感器2測(cè)得，是土樣在動(dòng)力單剪過(guò)程中土樣的最下一疊環(huán)的位移；總位移由位移傳感器3測(cè)得，是剪切盒在動(dòng)力單剪過(guò)程中的位移。位移傳感器3和位移傳感器2的差即為接觸面的相對(duì)位移。

靜力單剪試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著剪切過(guò)程的推進(jìn)，初期剪應(yīng)力迅速增大，其后增長(zhǎng)速率逐漸減小，剪應(yīng)力最終趨于穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)軟化現(xiàn)象；總位移保持較為持續(xù)穩(wěn)定的增長(zhǎng)狀態(tài)；土體位移在剪切初期增長(zhǎng)較快，達(dá)到一定位移量后（約2.2 mm）增長(zhǎng)變緩；總位移的增長(zhǎng)特性沒有大的變化，即在剪切初期，總位移主要是土體的剪切位移，達(dá)到一定位移量后，土體和鋼板之間開始出現(xiàn)較為明顯的滑移；法向位移逐漸減小，即剪切使得土體體積減小，并趨于穩(wěn)定。靜力單剪試驗(yàn)得到的其他3個(gè)法向應(yīng)力下的結(jié)果如圖3所示。由圖可見，不同法向應(yīng)力下總位移和土體位移的變化規(guī)律基本相同，即土體的位移（或應(yīng)變）增加到一定量后界面的錯(cuò)動(dòng)滑移明顯增加，但粉砂土的試驗(yàn)結(jié)果有差異（圖4），界面的錯(cuò)動(dòng)滑移一開始就增加較快，土體的位移增加比較緩慢。

（2）剪應(yīng)變與錯(cuò)動(dòng)位移的關(guān)系

將試驗(yàn)過(guò)程中的土體剪切應(yīng)變與接觸面間的錯(cuò)動(dòng)位移整理成圖5所示的關(guān)系曲線。由圖可以看出，在4個(gè)不同法向應(yīng)力作用下一定的剪應(yīng)變范圍內(nèi)，錯(cuò)動(dòng)位移和剪應(yīng)變之間有近似的線性關(guān)系，因此認(rèn)為，在該階段土體變形和錯(cuò)動(dòng)位移是同步的；錯(cuò)動(dòng)位移隨剪應(yīng)變?cè)龃蠖龃?，且剪切位移的較大，當(dāng)超過(guò)一定剪應(yīng)變后，錯(cuò)動(dòng)位移和剪應(yīng)變之間仍基本有線性關(guān)系，但接觸面錯(cuò)動(dòng)滑移突然增大。剪應(yīng)力較小時(shí)，主要產(chǎn)生土體變形，接觸面的位移不明顯；剪應(yīng)力較大時(shí)，土體應(yīng)變已經(jīng)達(dá)到一定數(shù)值，此時(shí)主要產(chǎn)生接觸面上的錯(cuò)動(dòng)位移。

將試驗(yàn)過(guò)程中的土體剪切應(yīng)變與接觸面間的錯(cuò)動(dòng)位移整理成圖5所示的關(guān)系曲線。由圖可以看出，在4個(gè)不同法向應(yīng)力作用下一定的剪應(yīng)變范圍內(nèi)，錯(cuò)動(dòng)位移和剪應(yīng)變之間有近似的線性關(guān)系，因此認(rèn)為，在該階段土體變形和錯(cuò)動(dòng)位移是同步的；錯(cuò)動(dòng)位移隨剪應(yīng)變?cè)龃蠖龃螅壹羟形灰频妮^大，當(dāng)超過(guò)一定剪應(yīng)變后，錯(cuò)動(dòng)位移和剪應(yīng)變之間仍基本有線性關(guān)系，但接觸面錯(cuò)動(dòng)滑移突然增大。剪應(yīng)力較小時(shí)，主要產(chǎn)生土體變形，接觸面的位移不明顯；剪應(yīng)力較大時(shí)，土體應(yīng)變已經(jīng)達(dá)到一定數(shù)值，此時(shí)主要產(chǎn)生接觸面上的錯(cuò)動(dòng)位移。

直接單剪試驗(yàn)動(dòng)力試驗(yàn)結(jié)果分析

（1）應(yīng)力-位移曲線

選擇了4個(gè)法向應(yīng)力和4個(gè)剪切振幅對(duì)淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土進(jìn)行試驗(yàn)，其中σ_n= 41.90kPa，穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)土樣最大切向位移δ_2max=3.00mm的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土的試驗(yàn)和動(dòng)力單剪前10個(gè)循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

由圖6（a）可以看出，動(dòng)單剪試驗(yàn)中保持剪應(yīng)力按照正弦波功率輸出的情況下，土樣和剪切盒位移均表現(xiàn)出初始幅值大，后逐漸減小，經(jīng)過(guò)3～5個(gè)循環(huán)迅速趨于穩(wěn)定的現(xiàn)象；豎向位移變化則更迅速，在首個(gè)單剪循環(huán)已經(jīng)完成大部分的變形量。圖6（b）為界面動(dòng)剪應(yīng)力與動(dòng)滑移的滯回曲線，試驗(yàn)起始階段，剪應(yīng)力增加較快，界面位移較小，但第一個(gè)循環(huán)的動(dòng)模量并不大。圖6（c）為試驗(yàn)中的總位移、土體位移、界面錯(cuò)動(dòng)位移與循環(huán)周數(shù)的曲線，位移的同步性較好。

（2）剪應(yīng)變與錯(cuò)動(dòng)位移的關(guān)系

σ_n= 41.90kPa時(shí)不同剪應(yīng)力幅值的動(dòng)單剪試驗(yàn)的總位移、界面位移與土體應(yīng)變的關(guān)系曲線。

由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，4個(gè)不同剪應(yīng)力幅值得到的界面錯(cuò)動(dòng)位移和剪應(yīng)變之間有較好的線性關(guān)系，且在其他3個(gè)法向應(yīng)力下也有同樣的試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，靜、動(dòng)力單剪試驗(yàn)中得到土體應(yīng)變與界面錯(cuò)動(dòng)位移之間有線性關(guān)系。由于確定界面特性參數(shù)的試驗(yàn)比較繁瑣，試驗(yàn)條件不足時(shí)土體與結(jié)構(gòu)界面的特性參數(shù)可由相鄰?fù)馏w的應(yīng)力-應(yīng)變特性，通過(guò)一比例系數(shù)進(jìn)行換算。靜、動(dòng)力試驗(yàn)界面位移與土體應(yīng)變關(guān)系線的斜率值，動(dòng)力試驗(yàn)因剪應(yīng)力幅值不同有不同的斜率，總體上靜力試驗(yàn)結(jié)果高于動(dòng)力試驗(yàn)值；隨著剪應(yīng)力幅值的減小，斜率減?。蝗邕x用平均值也有可行性。

由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，4個(gè)不同剪應(yīng)力幅值得到的界面錯(cuò)動(dòng)位移和剪應(yīng)變之間有較好的線性關(guān)系，且在其他3個(gè)法向應(yīng)力下也有同樣的試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，靜、動(dòng)力單剪試驗(yàn)中得到土體應(yīng)變與界面錯(cuò)動(dòng)位移之間有線性關(guān)系。由于確定界面特性參數(shù)的試驗(yàn)比較繁瑣，試驗(yàn)條件不足時(shí)土體與結(jié)構(gòu)界面的特性參數(shù)可由相鄰?fù)馏w的應(yīng)力-應(yīng)變特性，通過(guò)一比例系數(shù)進(jìn)行換算。靜、動(dòng)力試驗(yàn)界面位移與土體應(yīng)變關(guān)系線的斜率值，動(dòng)力試驗(yàn)因剪應(yīng)力幅值不同有不同的斜率，總體上靜力試驗(yàn)結(jié)果高于動(dòng)力試驗(yàn)值；隨著剪應(yīng)力幅值的減小，斜率減?。蝗邕x用平均值也有可行性。

前言

1 筑壩材料靜動(dòng)力特性試驗(yàn)研究概述

1．1 工程概況

1．2 壩料性質(zhì)

1．3 試驗(yàn)內(nèi)容

2 筑壩材料現(xiàn)場(chǎng)取樣

2．1 試料來(lái)源

2．2 取樣方法

2．3 現(xiàn)場(chǎng)取樣情況

3 筑壩材料試樣制備及試驗(yàn)方案

3．1 試樣制備

3．2 試驗(yàn)方案

4 筑壩材料試驗(yàn)設(shè)備與試驗(yàn)過(guò)程

4．1 試驗(yàn)設(shè)備

4．2 試驗(yàn)過(guò)程

5 筑壩材料試驗(yàn)成果

5．1 試驗(yàn)成果計(jì)算

5．2 試驗(yàn)成果

5．3 試驗(yàn)成果匯總

6 筑壩材料試驗(yàn)結(jié)論

7 面板堆石壩動(dòng)力計(jì)算分析概述

7．1 地震對(duì)面板壩應(yīng)力變形性狀的影響

7．2 立項(xiàng)背景

7．3 地震動(dòng)力計(jì)算的主要內(nèi)容

8 靜動(dòng)力有限元計(jì)算原理和方法

8．1 單元分析

8．2 靜力計(jì)算方法

8．3 材料的靜力本構(gòu)關(guān)系

8．4 動(dòng)力計(jì)算方法

8．5 動(dòng)力計(jì)算本構(gòu)模型

8．6 動(dòng)水壓力

8．7 地震永久變形

8．8 抗震穩(wěn)定性

9 靜力非線性有限元計(jì)算與分析

9．1 壩體有限元模型

9．2 靜力計(jì)算參數(shù)

9．3 壩體填筑加載過(guò)程

9‘4 三維非線性靜力計(jì)算成果與分析

9．5 三維靜力參數(shù)敏感性分析

9．6 二維非線性靜力計(jì)算結(jié)果與分析

9．7 二維靜力參數(shù)敏感性分析

10 面板壩動(dòng)力非線性有限元計(jì)算與分析·．

10．1 三維動(dòng)力計(jì)算參數(shù)及加速度的輸入

l0．2 三維非線性動(dòng)力計(jì)算結(jié)果與分析

10．3 三維動(dòng)力特性參數(shù)敏感性分析

10．4 二維非線性動(dòng)力計(jì)算結(jié)果與分析

10．5 二維動(dòng)力參數(shù)敏感性分析

11 有限元計(jì)算成果總結(jié)及結(jié)論

11．1 有限元計(jì)算成果總結(jié)

11．2 結(jié)論

參考文獻(xiàn) 2100433B