臺灣博碩士論文加值系統

斜張鋼纜乃是斜張橋整體結構中懸吊主梁且傳遞力量的主要構件，除了橋梁自重所造成的應力外，因受風力與車流量作用所引起鋼纜振動與內應力變化，在長時間經歷反復載重作用下鋼纜抗疲勞強度是一大考驗。為了解國內自行研發生產的預力錨碇夾片之抗疲勞強度能力，本研究進行了單股預力鋼絞線與錨碇夾片組合之疲勞試驗，並利用ANSYS有限元素軟體建立鋼絞線、錨碇夾片與錨碇頭之整合分析模型，進行不同荷載階段之應力分析與力量傳遞行為探討。
疲勞試驗結果顯示國內自行研發生產的BE-15錨碇夾片在應力上限0.65f’s、應力範圍2300kgf/cm2及偏角0.9°以下，可滿足兩百萬次之疲勞壽命。對於更高之應力上限，0.7f’s與0.8f’s對應之臨界反復載重應力範圍約為2000kgf/cm2與800kgf/cm2，若應力範圍小於此臨界值疲勞壽命可達兩百萬次，超過臨界值後疲勞壽命將會隨應力範圍增大而快速降低。
有限元素分析結果顯示若錨碇夾片與錨頭接觸面間有初始夾角設計，隨著載重增加，主要傳遞力量區域是由錨碇夾片與鋼腱咬合面後端逐漸向前端擴展，而沒有初始夾角之組合主要傳力區域一開始就集中於咬合面前端，可知錨碇夾片與錨頭接觸面間有初始夾角設計之傳力行為較好且錨碇夾片能均勻受力，若無初始夾角將造成集中受力在前端，較容易發生破壞。

Stay cables are the major component of cable-stayed bridges, which carry main girders and are responsible for force transmission. In addition to the self weight of the bridge, wind and the traffic flow on the bridge result in the changes in internal stresses and vibration of cables. Long-term cyclic loading really put the fatigue strength of stay cables to the test. In order to evaluate the fatigue strength of wedges developed in Taiwan, this study has conducted fatigue tests of a single strand with wedge-type anchor. Moreover, an integrated finite element model that includes strand, wedges and anchor head has been constructed using ANSYS to investigate the stress distribution and load transfer behavior under various loading stages.
Fatigue test results show that the BE-15 wedges developed in Taiwan can meet the fatigue life of two million cycles for upper stresses under 0.65f''s, stress ranges under 2300kgf/cm2, and angular deviations under 0.9°. For higher upper stresses, the critical stress ranges corresponding to upper stresses of 0.7f''s and 0.8f''s are about 2000kgf/cm2 and 800kgf/cm2, respectively. In case of stress range below the critical value, the fatigue life can reach two million cycles. When stress range exceeds the critical value, the fatigue life will decrease rapidly with the increase of stress range.
Finite element analysis shows that the initial angle design between the contact surfaces of wedges and anchor head is significant to the load transfer behavior. For cases with an initial angle, the primary force transmission region is expanded gradually from the back end to the front part of the interface between wedges and strand as the applied load is increased. Without the initial angle, the main load transfer region is concentrated at the front end of the interface from the beginning. This shows that the design of an initial angle between the contact surfaces of wedges and anchor head has a better load transfer behavior and wedges are subjected to force more uniformly. Without the initial angle, the force transmission will be centralized at the front end of the interface between wedges and strand, where is more prone to damage.

中文摘要 i
英文摘要 ii
誌謝 iv
目錄 v
表目錄 viii
圖目錄 ix
第一章 緒論 1
1.1 研究背景與動機 1
1.2 研究目的 2
1.3 研究方法 3
1.4 論文架構 3
第二章 文獻回顧 6
2.1 材料疲勞 6
2.1.1 金屬疲勞的主要現象 6
2.1.2 疲勞破壞的巨觀特徵 7
2.2 接觸疲勞 8
2.3 疲勞相關定義 8
2.3.1 S-N曲線 8
2.3.2 典型疲勞應力形式 9
2.4 PTI規範 9
2.5 應力上限與疲勞壽命之關係 10
2.6 日本PC斜張橋與脊背橋設計規範 11
2.6.1斜張鋼纜系統之疲勞強度 11
2.6.2斜張鋼纜之設計 13
第三章 試驗規劃與裝置 21
3.1 疲勞試驗規劃 21
3.2 試驗設備 22
3.3 試驗夾具 23
3.4 試驗裝置與步驟 23
第四章 單股預力鋼腱錨碇夾片疲勞試驗 39
4.1固定應力上限不同應力範圍對於單股預力鋼腱錨碇夾片抗疲勞強度之影響 39
4.1.1 應力上限0.80f’s，應力範圍2000kgf/cm2 40
4.1.2 應力上限0.80f’s，應力範圍1680kgf/cm2 41
4.1.3 應力上限0.80f’s，應力範圍1200kgf/cm2 41
4.1.4 應力上限0.80f’s，應力範圍800kgf/cm2 42
4.1.5 應力上限0.70f’s，應力範圍2000kgf/cm2 44
4.1.6 小結 45
4.2應力上限0.65f’s，應力範圍2300kgf/cm2不同偏角對於疲勞強度之影響 45
4.2.1 應力上限0.65f’s，應力範圍2300kgf/cm2，偏角0.3° 46
4.2.2 應力上限0.65f’s，應力範圍2300kgf/cm2，偏角0.9° 46
4.2.3 小結 47
4.3應力上限0.65f’s，偏角3.5°，不同應力範圍對於疲勞強度之影響 48
4.3.1 應力上限0.65f’s，應力範圍800kgf/cm2，偏角3.5° 48
4.3.2 應力上限0.65f’s，應力範圍1200kgf/cm2，偏角3.5° 48
4.3.3 應力上限0.65f’s，應力範圍1680kgf/cm2，偏角3.5° 49
4.3.4 應力上限0.65f’s，應力範圍2000kgf/cm2，偏角3.5° 50
4.3.5 小結 51
4.4 固定應力上限，不同應力範圍與疲勞壽命之關係 51
第五章 ANSYS 有限元素應用程式 150
5.1 ANSYS Workbench 150
5.1.1 前處理 150
5.1.2 求解與後處理 150
5.2 結構非線性分析 151
5.2.1 幾何非線性(geometric nonlinearity) 151
5.2.2 接觸非線性(contact nonlinearity) 151
5.2.3 材料非線性(material nonlinearity) 151
5.2.4 彈性對塑性材料 152
5.2.5 降伏準則 153
5.3 接觸非線性 153
5.3.1 接觸非線性基本概念 153
5.3.2 接觸方式 154
5.3.3 接觸類型 154
5.4 網格元素介紹 155
5.4.1 3D固體(solid body) 155
5.4.2 2D固體(solid body) 156
5.4.3 3D表面體(surface body) 156
5.4.4 3D線體(line body) 156
第六章 ANSYS Workbench模擬分析 162
6.1 建立幾何模型 162
6.2 材料參數設定 163
6.3 接觸行為設定 163
6.4 網格元素劃分 164
6.5 邊界與負載設定及求解 164
6.6 結果分析 165
6.6.1 錨碇夾片與錨頭間無角度 165
6.6.2 錨碇夾片與錨頭間夾角0.3° 166
6.6.3 錨碇夾片與錨頭間夾角0.6° 168
6.6.4 分析結果比較 169
6.6.5 有限元素分析與疲勞試驗比對 171
第七章 結論與建議 207
7-1 結論 207
7-2 建議 208
參考文獻 210

[1]劉國雄，林樹均，李勝隆，鄭晃忠，葉均蔚，2006，機械材料學，全華科技圖書出版社。
[2]姚枚，陳鴻賓，1996，金屬機械性能，全華科技圖書出版社。
[3]李柏霖，2009，飛機引擎固定裝置電腦輔助設計與分析，逢甲大學航太與系統工程學系碩士論文。
[4]機械工程手冊/電機工程手冊編輯委員會，2002，材料測試與分析，五南圖書出版社。
[5]中華民國國家標準，1997，金屬材料之疲勞試驗法通則，10月。
[6]Post-Tensioning Institute, 2007, Recommendations for Stay Cable Design, Testing and Installation.
[7]洪建智，2010，預力鋼腱錨碇夾片疲勞試驗與應力分析，國立雲林科技大學營建工程系研究所碩士論文。
[8](社)技術協?恁A平成12年，PC 斜張橋橋設計施工規準，11月。
[9]MTS使用手冊，2003，MTS Model 793.00 System Softeare.
[10]張朝暉，2010， ANSYS 12.0結構分析工程應用實例解析 第3版，機械工業出版社。
[11]李輝煌，2009，ANSYS工程分析基礎與觀念，二版，高立圖書出版社。
[12]Huei-Huang Lee，2010，Finite Element Simulations with ANSYS Workbench 12，GOTOP INFORMATION INC.
[13]浦廣益，2010，ANSYS Workbench 12基礎教程與實例詳解，中國水利水電出版社。
[14]張紅松、胡仁嘉、康士廷，2010，ANSYS12.0有限元分析從入門到精通，機械工業出版社。