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查大奎;周武辉
【摘 要】以某斜拉桥为研究背景，对风载作用下斜拉桥拉索疲劳可靠性和疲劳损伤进行分析。首先依据当地风速统计资料获得桥梁模拟点的风速时程，对影响桥梁抖振作用下的风荷载进行计算；然后采用自编的风桥动力响应程序，得到风荷载作用下部分斜拉索的应力时程；基于构件累积损伤理论，得到拉索的疲劳可靠度和疲劳损伤。结果表明：风荷载对长索的损伤影响程度较短索大，抖振作用下，拉索的可靠度都满足使用要求，疲劳寿命满足设计要求，拉索不会破坏。%Taking a cable-stayed bridge as the research background,the fatigue reliability and fatigue damage of stay cable were analyzed under the action of the wind load.First according to the statistics of the local wind speed to obtain the bridge simulate wind speed time history,the wind load of bridge buffet was calculated.Then using the wind bridge dynamic response includes program to get part stress of the cable under wind load.Based on the cumulative damage theory of the components to get the fatigue reliability and fatigue damage of stay cable.The results show that wind load on the long cabl e has bigger damage than short cable.Under the effect of buffet ,the reliability of cable meet the re-quirement and the fatigue life meet the design requirements,the cable will not damage.
【期刊名称】《建材世界》
【年(卷),期】2016(037)003
【总页数】5页(P79-83)
【关键词】斜拉索;疲劳可靠度;疲劳损伤;抖振力
【作 者】查大奎;周武辉
【作者单位】武汉理工大学土木工程与建筑学院，武汉 430070;武汉福星惠誉地产有限公司，武汉 430070
【正文语种】中 文
现代斜拉桥结构主要由索塔、主梁、斜拉索等构件组成，有多种结构体系，索塔支撑着主梁，拉索连接着主梁和主塔，组成一个互相牵连的稳定系统。斜拉索作为斜拉桥的重要受力构件，由轻柔钢丝组成，具有质量小、柔度大、阻尼小、高应力等特点，但是大量的调查报告也表明斜拉索是全桥中使用寿命最低和较易破坏的构件。由于受到风雨、地震、交通、洪水等荷载反复作用，斜拉索始终处于高应力状态下，而且容易遭受腐蚀，这些因素进一步减小斜拉索的寿命，从而影响斜拉桥的使用。
研究拉索的疲劳问题就要确定造成疲劳的原因，风荷载是一个主要的因素。风载具有随机性、多样性，包括静风力、脉动风力和引起构件自身振动的自激力，风荷载引起结构的疲劳正被我国许多学者研究，其中具有代表性的有：卢伟[1]分析了风致振动下拉索的疲劳问题，假设疲劳破坏规律服从威布尔分布，修正疲劳可靠度公式。李春祥[2]研究了斜拉桥风致振动的疲劳损伤问题。李岩[3]等基于累积损伤理论和Monte-Carlo法通过随机车载和风载作用下开展拉索的疲劳可靠度和疲劳寿命的研究，分析得到风载对拉索疲劳可靠度的影响。
人脸定位该文以某斜拉桥为研究背景，利用ansys有限元分析软件建立整桥的有限元模型，分析在 该桥环境下的风载作用到桥梁上，引起桥梁的整体振动响应，以及整体振动带动斜拉索产生疲劳损伤和疲劳可靠度计算，并进行比较分析。
通过S-N曲线来分析拉索的疲劳
深圳指数该文在考虑斜拉索损伤时，采用的是Miner线性累积损伤理论。线性累积损伤理论是一个损伤累积的过程，随着循环次数的增加，损伤也是逐渐增大，直至破坏。Miner理论不考虑荷载之间以及加载顺序对结果的影响，应力之间相互独立，多个应力可以进行累加。所以，构件在应力幅Si的作用下，经过ni次循环的疲劳损伤为Di=ni/Ni，则n个循环造成的总损伤为
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对拉索疲劳寿命的试验研究表明，当斜拉索的应力时程均值Sm为较大的拉应力时，需对式(1)进行修正以消除拉应力的不利影响[4]。采用古德曼(Goodman)方程能够较好反映平均拉应力对拉索疲劳寿命的影响，拉索疲劳寿命S-N曲线经修正后改写为
由于斜拉索受到的荷载是随机的，采用威布尔分布来表示这一疲劳破坏规律[5]。威布尔分布概率密度函数为
由威布尔概率密度函数可求出相应的均值μN，标准差σN及变异系数VN，其中：μN=cΓ(1+1/k)，式中，Γ(x)=∫e(-t)tx-1dt为伽玛函数。
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对于变异系数，变异系数VN的均值可取为0.53，则形状因子和变异系数的关系表示为：。
代入各个参数得到可靠度函数为
考虑N为疲劳寿命，按循环次数表示，我国工程中N一般取2×106。
根据数学计算方法，假设威布尔变量Np大于某一数值Nq的概率，得到存活概率为
工程中通常按所用S-N曲线的存活率(可靠度)为0.5来考虑材料的耐久性和安全性，当考虑Goodman修正拉应力时，可得当给定应力幅S和参数得到的斜拉索的可靠度公式为
对于变幅循环应力脉，上式中的S应用等效应力幅Sa表示[6]。由雨流计算法计算应力幅和应力幅循环数，采用MATLAB编制了程序，完成拉索疲劳可靠度的计算，求出上述疲劳可靠度，因疲劳可靠度指标服从标准正态分布表，查表可求出指标值；再通过荷载作用次数求得构件的疲劳损伤。
风荷载是引起斜拉索疲劳的主要因素之一，对风荷载的分析是通过荷载累积的结果。对抖振时程的模拟关键在于风场的模拟，采用谐波叠加法基于Kaimal谱生成主梁各模拟点的风速时程。
抖振响应分析的风荷载包括三个部分：一是静力风荷载，二是脉动风作用下的抖振力，三是桥梁结构自激振动的自激力。xrk
静风力在体轴坐标系下可分解为三个分量：静风阻力、静风升力和静风力矩按如下计算公式
抖振力是由平常风中的脉动成分引起的风载作用力，采用Scanlan[7]建议的准定常抖振力理论，考虑DavenPort[8]气动导纳函数进行修正时，作用在长度方向上主梁的抖振力可以按静风力也分为三个分量，Db(t)抖振阻力、Lb(t)抖振升力和Mb(t)抖振力矩。在时域分析中，考虑该文斜拉桥的桥梁结构呈钝体形状，脉动风作用结构上较为复杂，为计算方便，气动导纳函数可以偏安全地取为1.0，采用如下抖振力表达式
自激力是桥梁结构振动位移的函数，需要在有限元模型上通过程序考虑其非线性因素。采
用Lin Y K[9]提出的随时间变化的函数表达方式来计算，采用脉冲响应函数来表示自激力的公式为
作用在有限元模型上自激力可以单独表示为两个矩阵之间的关系
对于结构受到的气动力是在长度方向上的分布荷载，为加载方便，可以将分布荷载均匀转化为单元节点上的力。气动自激力以矩阵的形式表现出来，描述桥梁结构自身振动的行为，可以施加到桥梁模型上，对桥梁结构进行时程响应分析。表示矩阵的一些参数，如三分力系数、三分力系数导数可通过静风力的测试试验获得。对于自激力施加在模型上，需要选择一个功能强大的单元来模拟。
以某大跨斜拉桥为研究背景，运用ANSYS软件建立斜拉桥的空间有限元模型，结合其特点，主桥设计为98×2+196×2+504=1 092 m双塔三索面三主桁斜拉桥。模型中主梁采用三梁式模型进行建模，桥塔为钢筋混凝土结构，塔高188.5 m，斜拉索共192根，采用LINK10单元模拟，模型上索间距为14 m，活荷载采用风载，温度荷载及其他荷载暂不考虑。桥梁模型及拉索编号如图1所示
模拟过程中所用到的参数：主梁设计基准高度z=23.3 m，依据该桥桥址处基本风速分布图显示10 m高度处100年一遇的10 min平均最大风速为设计基本风速V10=29.9 m/s，地面粗糙度z0=0.05，根据我国桥梁抗风规范规定，该桥主梁设计基准风速采用如下公式计算
后处理查看斜拉索的应力谱，并进行数据统计处理，得到边跨和中跨几根具有代表性斜拉索的应力时程曲线，取跨中最短索L1和跨中最长索L16斜拉索的应力图进行比较。
根据图可知风荷载作用下斜拉索的应力是随机变化的，长索L16拉索应力比短索L1拉索应力大，风速对斜拉索应力谱分布影响显著，且对长索的影响大于短索。
为计算斜拉索的疲劳可靠度需知道S-N曲线的各项参数，由于该文没有该斜拉桥的斜拉索的S-N曲线，故参考文献[10]中关于平行钢丝新索的S-N曲线，该S-N曲线的材料参数有m=5.05，C=5.32×1018。
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