[發明專利]一種基于強度與延性的鋼管混凝土拱橋抗震能力評估方法

有效

• 申請號: 201410354108.0
• 申請日: 2014-07-23
• 公開（公告）號: CN104594174B
• 公開（公告）日: 2017-05-31
• 發明（設計）人: 謝開仲;許國平;陳光強
• 申請（專利權）人: 廣西大學
• 主分類號: E01D4/00
• 分類號: E01D4/00
• 代理公司: 北京國坤專利代理事務所(普通合伙)11491
• 代理人: 黃耀鈞

1.一種基于強度與延性的鋼管混凝土拱橋抗震能力評估方法，其特征在于，包括以下步驟：

S1、用有限元法建立鋼管混凝土拱橋模型；

S2、對拱橋進行結構分析，分別計算出重力代表值作用下和小震作用下各桿件的內力；所述重力代表值包括結構和各級恒載和車道荷載標準值組合；所述小震為六度地震；地震加速度峰值為0.05g；

S3、分析拱橋各部分的破壞模式及延性比，所述各部分的破壞模式包括拱肋弦桿破壞、拱肋腹桿破壞、吊桿破壞、吊桿橫梁破壞和橋面縱梁破壞；

S4、根據步驟S3分析的破壞形式計算各部分的屈服地面加速度系數以及各部件的延性容量；

S5、根據步驟S3分析的延性比計算得結構地震作用折減系數Fg；

S6、通過各部分構件的破壞模式延性比，通過加權平均方法求出各部分的抗震能力Ac；

S7、根據各部分的抗震能力Ac計算出整體抗震能力Ac、和拱橋地震作用折減系數，將地震作用折減系數乘以屈服地面運動加速度，求解出整橋的抗震能力；

在步驟S3中，所述拱肋弦桿破壞包括彎曲和拉壓破壞，所述拱肋腹桿破壞包括腹桿軸力破壞，所述吊桿破壞包括拉伸破壞，所述吊桿橫梁破壞包括彎曲破壞，所述橋面縱梁破壞包括彎曲破壞；

在步驟S4中，所述延性容量指部件的各構件達到破壞時，構件的延性容量的加權平均值，結構的允許延性容量Ra與延性容量R的關系為分別計算拱肋弦桿、拱肋腹桿、拱肋橫向聯系、吊桿、吊桿橫梁、橋面縱梁的允許延性容量；

在步驟S1中，首先利用大型通用有限元軟件ANSYS，根據鋼管混凝土拱橋設計或竣工圖紙建立有限元模型，采用ANSYS軟件的空間梁單元Beam188或Beam189模擬鋼管混凝土拱肋弦桿、腹桿、橫向聯系、吊桿橫梁和橋面縱梁，用Shell63模擬橋面系統、用Link10模擬吊桿，在拱腳處施加各弦桿的固定約束；

在步驟S2中，結合各部分桿件的強度和延性特征，采用有限元法對鋼管混凝土拱橋進行彈性地震反應分析和重力代表值作用下的分析，獲取各桿件的內力，分別計算出各桿件的抗震能力，得到各部分的抗震能力，最后合成鋼管混凝土拱橋抵抗地面運動的最大加速度A_c；

在步驟S3中，通過各部分構件的破壞模式求出其極限承載能力及其延性比，通過加權平均方法求出各部分的抗震能力，再通過各部分的權重值綜合求出整體抗震能力，并求出地震作用折減系數F_u，將地震作用折減系數乘以屈服地面運動加速度，求解出整橋的抗震能力；

在步驟S4中，計算各部分的屈服地面加速度系數，包括：

A、拱肋弦桿加速度系數：

鋼管混凝土拱肋弦桿構件的抵抗地震作用能力為加速度，構件的加速度系數根據其破壞形式決定，弦管主要承受軸力和彎矩，所以其屈服地面運動加速度系數為和分別為弦管第k構件i、j兩桿端系數；

根據步驟S3介紹的拱肋弦桿的破壞模式及強度曲線把鋼管混凝土軸力和彎矩與強度承載力之間的關系，引入一個系數λ，系數的計算為：

(1)N/N_u0≥2η₀時，

(2)N/N_u0＜2η₀時，

由于弦桿是圓形的，兩個方向的彎矩合成為最不利彎矩，所以式(55)和(56)的

$a_{xgk}^i=\frac{{\mathrm{\λ}}_{uk}^i-{\mathrm{\λ}}_{DLk}^i}{{\mathrm{\λ}}_{CEk}^i}---\left(57\right)$

$a_{xgk}^j=\frac{{\mathrm{\λ}}_{uk}^j-{\mathrm{\λ}}_{DLk}^j}{{\mathrm{\λ}}_{CEk}^j}---\left(58\right)$

$a_{xg}=Min\left(a_{xgk}\right)=Min\left(\frac{a_{xgk}^i+a_{xgk}^j}{2}\right)---\left(59\right)$

式中，a_xg—弦管屈服地面運動加速度系數；

—弦管單元兩節點極限軸力和彎矩組合的系數；

—重力荷載代表值作用下，兩節點的軸力和彎矩代入式(55)或(56)的系數值；

—小震作用下兩節點的軸力和彎矩代入式(55)或(56)的系數值；

B、拱肋腹桿加速度系數：

鋼管混凝土拱橋拱肋腹桿屈服地面運動加速度系數為a_fgk，其中，a_fgk為第k根腹桿的加速度系數；

$a_{fgk}=\frac{N_{uk}^{fg}-N_{DLk}^{fg}}{N_{CELk}^{fg}}---\left(60\right)$

$a_{fg}=\frac{\underset{k=1}{\overset{n}{\Σ}}{a}_{fgk}}{n}---\left(61\right)$

式中，a_fg—屈服地面運動加速度系數；

—腹桿單元極限軸力；

—重力荷載代表值作用下的軸力；

—小震作用下吊桿的軸力；

C、拱肋橫向聯系加速度系數：

鋼管混凝土拱橋拱肋橫向聯系屈服地面運動加速度為系數為和其中，和分別為橫向聯系的第k構件i、j兩桿端系數；

$a_{hxk}^i=\frac{M_{uk}^i-M_{DLk}^i}{M_{CEk}^i}---\left(62\right)$

$a_{hxk}^j=\frac{M_{uk}^j-M_{DLk}^j}{M_{CEk}^j}---\left(63\right)$

$a_{hx}=\frac{\underset{k=1}{\overset{n}{\Σ}}{a}_{hxk}}{n}=\frac{\underset{k=1}{\overset{n}{\Σ}}\frac{a_{hxk}^i+a_{hxk}^j}{2}}{n}---\left(64\right)$

式中，a_hx—吊桿橫梁屈服地面運動加速度系數；

—吊桿橫梁單元兩節點極限彎矩；

—重力荷載代表值作用下，兩節點的彎矩；

—小震作用下兩節點彎矩；

D、吊桿加速度系數：

鋼管混凝土拱橋各吊桿的屈服地面運動加速度系數為a_dgk，其中，a_dgk為第k根吊桿加速度系數；

$a_{dgk}=\frac{N_{uk}^{dg}-N_{DLk}^{dg}}{N_{CELk}^{dg}}---\left(65\right)$

$a_{dg}=\frac{\underset{k=1}{\overset{n}{\Σ}}{a}_{dgk}}{n}---\left(66\right)$

式中，a_dg—吊桿屈服地面運動加速度系數；

—吊桿單元極限軸力；

—重力荷載代表值作用下的軸力；

—小震作用下吊桿的軸力；

E、吊桿橫梁和橋面縱梁加速度系數：

鋼管混凝土拱橋吊桿橫梁屈服地面運動加速度系數為和其中，和分別為吊桿橫梁第k構件i、j兩桿端系數；橋面縱梁屈服地面運動加速度系數為和其中，和分別為橋面縱梁第k構件i、j兩桿端系數；

$a_{hlk}^i=\frac{M_{uk}^i-M_{DLk}^i}{M_{CEk}^i}---\left(67\right)$

$a_{hlk}^j=\frac{M_{uk}^j-M_{DLk}^j}{M_{CEk}^j}---\left(68\right)$

$a_{hl}=\frac{\underset{k=1}{\overset{n}{\Σ}}{a}_{hlk}}{n}=\frac{\underset{k=1}{\overset{n}{\Σ}}\frac{a_{hlk}^i+a_{hlk}^j}{2}}{n}---\left(69\right)$

式中，a_hl—吊桿橫梁屈服地面運動加速度系數；

—吊桿橫梁單元兩節點極限彎矩；

—重力荷載代表值作用下，兩節點的彎矩；

—小震作用下兩節點彎矩；

同理求出縱梁加速度系數和a_zl；

在在步驟S5中，折減系數F_u，按下式求出：

$F_u=\left\{\begin{array}{cc}{R}_a;& T\≥10\\ \sqrt{2R_a-1}+(R_a-\sqrt{2R_a-1})\×\frac{T-T_g}{10-T_g};& T_g\≤T\≤10\\ \sqrt{2R_a-1};& 0.1\≤T\≤T_g\\ \sqrt{2R_a-1}+(\sqrt{2R_a-1}-1)\×\frac{T}{0.1};& T\≤0.1\end{array}\right.$

式中，T_g—特征周期(單位：s)，T—結構的自振周期(單位：s)；

在在步驟S6中，計算出各部分構件的延性容量后，根據工程所在地區的地震參數和自振周期求得結構地震力折減系數F_u，結合各部分的地震力系數a計算出各部分的地面屈服抗震能力A_c；

弦桿：A_cxg＝A_yxg×F_uxg＝0.05g×a_xg×F_uxg(83)

腹桿：A_cfg＝A_yfg×F_ufg＝0.05g×a_fg×F_ufg(84)

橫向聯系：A_chx＝A_yhx×F_uhx＝0.05g×a_hx×F_uhx(85)

吊桿：A_cdg＝A_ydg×F_udg＝0.05g×a_dg×F_udg(86)

吊桿橫梁：A_chl＝A_yhl×F_uhl＝0.05g×a_hl×F_uhl(87)

橋面縱梁：A_czl＝A_yzl×F_uzl＝0.05g×a_zl×F_uzl(88)

橋梁整體抗震能力取各部分最小的抗震能力及各部分地面屈服運動加速度A_c。