非完善接触状态下平行钢绞线斜拉索力学特性研究

Parallel strand stay cables(PSSC) are widely used in cable-stayed bridges because of its advantages of convenient construction, good durability, excellent anti-corrosion performance and is suitable for single strand cable replacement, however,slip and discrete effects are not considered and the actual stress state is not reflected by existing cable calculation theory, inaccurate cable force test values influence the performance of the cable, which is a serious threat to the safety of the bridge. In this project, mechanical properties and cable force test methods are studied based on a model that can reflect the stress state of strand cable. . The research contents include three aspects:(1)Multilayer beam mechanical model of PSSC is established, the influence mechanism of friction and slip effect on the mechanical properties of steel strand stay cable is studied.(2)Cable dynamics model is established, and variable stiffness,shear effect, Initial curvature, friction effect are concerned. Nonlinear vibration equation of PSSC is deduced and influences of these factors to nonlinear vibration characteristics are studied in detail. Theoretical analysis method are verified by numerical simulation results and test results. (3)Cable force-frequency formula of PSSC basing on theoretical method and bridge testing is deduced. The formula is used in vibration frequency test method of cable force, which makes up for the deficiency of the existing methods of cable force testing.

平行钢绞线斜拉索因施工轻便、耐久性好、防腐性能优及宜于单根钢绞线换索等优点在斜拉桥中广泛应用，但现有索理论无法反映其索股间非完善接触状态，造成理论与实际不符，振动频率法测得的索力值不准确，影响拉索使用性能，严重时威胁桥梁安全。本项目力求建立能够真实反映钢绞线索受力状态的模型，并以此为基础针对平行钢绞线斜拉索动静力学特性及索力测试方法展开研究。. 具体研究内容涵括三个方面：（1）建立多层曲线叠梁模型，研究摩擦-滑移与起拱效应对钢绞线斜拉索力学性能的影响机制；（2）建立考虑变刚度、剪切效应、初始曲率、摩擦-滑移效应、索端张力等因素的索动力学模型，推导平行钢绞线斜拉索非线性振动公式，研究参数变化对平行钢绞线斜拉索非线性振动行为的影响规律，并以模型试验与数值模拟验证；（3）基于理论分析，结合实桥测试，提出适用于平行钢绞线斜拉索的索力-频率计算公式，将该修正公式应用于振动频率法索力测试，弥补现有索力测试方法的不足。

本项目针对非完善接触状态下平行钢绞线中存在的丝股分离与滑移现象，将拉索简化成叠梁，将索股系统简化成索网，研究丝股分离与滑移产生的机理、其对拉索力学特性以及索力控制的影响及索网的振动特性，主要研究工作如下： .（1）对考虑层间摩擦力的叠梁微元进行受力分析，推导出库伦摩擦型叠梁截面剪应力的计算公式；根据“分层滑移”的概念，得到了摩擦型叠梁层间滑移展开的力学条件及发展过程；提出了求解叠梁层间滑移长度的数值算法。. （2）对考虑层间滑移的叠梁微元进行动平衡分析，得到了叠梁的振动方程，使用Newmark-β法和谱分析研究了刚度变化对叠梁自由振动的影响；研究了层间摩擦力对叠梁自阻特性的影响。 .（3）提出了平行钢绞线斜拉索张拉过程中涉及的两类力学问题以及求解这两类问题的数值算法，编制了求解平行钢绞线斜拉索单束绞线初张力的计算程序，与铜陵公铁两用长江大桥的实测值进行对比，表明了算法准确和高效。结合实际工程，对钢绞线斜拉索的索力均匀性监测方法进行了研究。 .（4）针对平行钢绞线斜拉索中存在的束股分离和层间滑移现象，将钢绞线斜拉索抽象成具有层间间隙的叠梁模型，对叠梁模型进行接触分析；根据计算结果和钢绞线斜拉索的构造特点求解了平行钢绞线斜拉索的接触区域；对发生接触后的钢绞线斜拉索进行模态分析，证明了接触使平行钢绞线间的位移发生耦合，发生层间接触的钢绞线的振动具有一致性；通过对铜陵公铁两用长江大桥的拉索振动信号进行采集分析，验证了理论分析结果的正确性。 .（5）提出考虑、不考虑抗弯刚度的多节点耦合多层梁单元分析模型模拟非完善接触状态下的平行钢绞线索股系统，分析其振动特性；对不同配置的多层不等长斜拉索索股系统进行参数分析，研究系统参数对索股系统振动特性的影响。.（6）提出了适用于频谱法的索力求解算法，基于此算法和实测数据，对钢绞线斜拉索的索力进行参数敏感性分析；将该算法应用于铜陵公铁两用长江大桥的索力测试中，验证了算法的正确性；基于铜陵公铁两用长江大桥，对目前钢绞线斜拉索中几种常用的索力测试方法进行了评价。