[发明专利]缆索体构件受火状态下应力重分布评估方法及其应用

说明书

本发明公开了缆索体构件受火状态下应力重分布评估方法及其应用。受火状态下缆索体构件有两种受力模式，一种是悬索桥主缆类受力模式，其主要特征是受火全过程缆索体构件的张拉力基本保持不变，则其索长随着受火时间的增加而增加。另一种是悬索桥吊索及斜拉桥斜拉索类受力模式，其主要特征是受火全过程缆索体构件的索长基本保持不变，则索力随着受火时间发生变化。针对两种受力模式的缆索体构件分别建立其受火状态下的应力重分布评估方法及其应用。本发明的有益效果在于，对受火状态下缆索体内各层钢丝的应力重分布进行评估，使之判定受火状态下缆索体构件的钢丝破断情况及安全性更为准确。

技术领域

本发明涉及桥梁缆索技术领域，特别是缆索体构件受火状态下应力重分布评估方法及其应用。

背景技术

主缆是悬索桥主要的承重构件，吊索和斜拉索分别是悬索桥和斜拉桥重要的传力构件。缆索体构件的组成材料高强钢丝具备较强的抗拉性能，同时也是热的良好导体。火灾下，缆索体升温快、强度退化迅速、缆索体构件具有很高的断索风险，极大威胁到缆索承重桥梁结构的安全。

火灾下缆索体构件高强钢丝的破断情况是评估其安全性的重要指标。随着受火时间的增加，缆索体构件温度逐渐升高、高强钢丝抗拉强度逐渐降低，当其抗拉强度小于钢丝的应力大小时，缆索体构件就会发生断丝，进而会演变成断索情况。因此，准确预测火灾下缆索体构件钢丝的破断情况对评估其安全性具有重要作用。现有技术中，在评估火灾下缆索体构件钢丝的应力时，均是将缆索体构件简化为匀质钢圆棒模型，而忽略了缆索体内钢丝间的应力重分配对其应力大小的影响。实际上，火灾下缆索体构件内、外层钢丝的升温速率具有显著差异，详见《基于空腔辐射效应的钢索截面温度场分析》、《钢索燃烧特性和钢绞线高温力学性能试验研究》等文献，由此造成外层钢丝的抗拉强度退化速率要显著快于内层钢丝，则外层钢丝的应力会逐渐向内层钢丝转移从而保证缆索体构件内各层钢丝的变形协调性，即火灾下缆索体构件各层钢丝间的应力会发生重分配。忽略缆索体构件各层钢丝间的应力重分配效应势必会造成各层钢丝的应力评估不准确，进而造成不能合理评估火灾下缆索体构件的钢丝破断情况及安全性。

发明内容

本发明的目的是提供缆索体构件受火状态下应力重分布评估方法及其应用。

实现本发明目的的技术方案如下：

一种缆索体构件受火状态下的应力重分布评估方法，所述缆索体构件为悬索桥的主缆；所述应力重分布为：

其中，

式中，σ_ti为t时刻主缆第i层钢丝的应力，σ_t1为t时刻主缆第1层钢丝的应力，σ₀为主缆钢丝的初始应力，E_ti为t时刻主缆第i层钢丝的弹性模量，E_t1为t时刻主缆第1层钢丝的弹性模量，α_ti为t时刻主缆第i层钢丝的热膨胀系数，α_t1为t时刻主缆第1层钢丝的热膨胀系数，n为主缆钢丝数量，Δt_i为主缆第i层钢丝t时刻与初始时刻的温差，Δt₁为主缆第1层钢丝t时刻与初始时刻的温差，A为拉伸前钢丝总的截面面积，A_i为t时刻第i层钢丝的截面面积。

上述应力重分布评估方法的应用是：如σ_tif(T)，则判定第i层钢丝会发生断丝；其中，f(T)为主缆钢丝在t时刻所对应的T温度时的抗拉强度。

另一种缆索体构件受火状态下的应力重分布评估方法，所述缆索体构件为悬索桥的吊索或斜拉桥的斜拉索；所述应力重分布为：