一种超高桥墩结构设计方法技术

本发明专利技术公开了一种超高桥墩结构设计方法，首先计算待设计桥墩的载荷大小，再确定待设计桥墩的设计参数，桥墩设计参数不限于简单的截面厚度和宽度的改变，而是将设计参数选定为墩身和斜腿的高度、截面尺寸以及坡率，斜腿的分叉间距，系梁的高度和截面尺寸，从而能在满足使用要求的情况下最大程度地优化桥墩的形状，接着，确定设计参数的取值范围和取值步长，扫描组合各个参数的不同取值，采用参数化分别建立有限元模型并进行计算，自动提取各个有限元模型的刚度结果、强度结果和振动结果，和规范要求进行对比，挑选出满足以上三个条件的所有桥墩形式，并计算墩体积总量，挑选出墩体积总量最小的桥墩形式作为该设计方法下的最佳桥墩形式。

A design method of super high bridge pier structure

The invention discloses a super high pier structure design method, first calculate the load for the design of the bridge piers, and then determine the design parameters for the design of the bridge piers, pier design parameters are not limited to section thickness and width of simple change, but the selection of design parameters for Pier and inclined leg height, section size and slope ratio. The bifurcation spacing of skew legs, beam height and section size, which can meet the maximum optimization of pier using under the condition of shape, and then determine the design parameters of the range and value of the step size, different values of each combination scanning parameters, of finite element model was established and calculated using parameters. Automatic extraction of finite element model of each stiffness, strength and vibration results results results, and specification requirements are compared and selected, meeting the above three conditions are There are pier forms, and the total volume of pier is calculated, and the minimum pier volume is selected as the best pier form under the design method.

【技术实现步骤摘要】
一种超高桥墩结构设计方法
本专利技术涉及桥梁工程领域，特别涉及一种超高桥墩结构设计方法。
技术介绍
桥墩是桥梁的重要组成部分，也是桥梁工程的主要研究和设计对象。桥墩不仅需承受上部结构传递的竖向力，而且必须保证列车运行时全桥结构的动力响应满足使用要求。因此，铁路桥墩设计在进行强度验算的同时，更为重要的是进行桥墩纵、横向刚度计算。目前铁路高墩一般采用纵、横向放坡的扫帚型实体桥墩，随着墩高的加大，如超过100米的超高桥墩，桥墩纵横向刚度性能指标急剧下降。为满足桥梁动力要求，一般靠人为经验简单的增大墩体的厚度和宽度，增加混凝土浇筑量，来增大桥墩的刚度和强度。在超高桥墩设计中，若采用此种设计施工方法，则需大幅增大墩体的厚度和宽度，大幅增加混凝土浇筑量，导致墩身圬工量相应的急剧增大，墩身自重加大，基础变大，桥墩经济性指标下降。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术中所存在的仅通过增大墩体厚度和宽度，增加混凝土浇筑量来设计超高桥墩，导致墩身圬工量急剧增大，墩身自重加大，基础变大，桥墩经济性指标下降的不足，提供一种超高桥墩结构设计方法。为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供了以下技术方案：一种超高桥墩结构设计方法，主要包括以下几个步骤：步骤A：计算作用于待设计桥墩的荷载；步骤B：确定待设计桥墩的设计参数，设计参数包括墩身和斜腿的高度、截面尺寸以及坡率，斜腿的分叉间距，系梁的高度和截面尺寸；步骤C：确定各个设计参数的取值范围和取值步长；步骤D：扫描组合各个设计参数的不同取值，分别建立有限元模型并进行计算；步骤E：提取各个有限元模型的计算结果并进行分析；步骤F：分析计算结果是否满足刚度要求，若满足要求，则满足要求的取值参数进入步骤G；若不满足要求，则剔除该桥墩形式；步骤G：分析满足步骤F的取值参数的计算结果是否满足强度要求，若满足要求，则进入步骤H；若不满足要求，则剔除该桥墩形式；步骤H：分析同时满足步骤F和G的取值参数的计算结果是否满足振动响应要求，若满足要求，则进入步骤I；若不满足要求，则剔除该桥墩形式；步骤I：计算满足以上所有条件的取值参数分别对应的所有桥墩形式的墩体积总量；步骤J：挑选出墩体积总量最小的桥墩形式；步骤K：结束，完成超高桥墩结构设计。本专利技术所述的一种超高桥墩结构设计方法，首先计算待设计桥墩的载荷大小，再确定待设计桥墩的设计参数，桥墩的设计参数不限于简单的桥墩厚度和宽度的改变，而是将设计参数选定为墩身和斜腿的高度、截面尺寸以及坡率，斜腿的分叉间距，系梁的高度和截面尺寸，从而能在满足使用要求的情况下最大程度地优化桥墩的形状。接着，确定设计参数的取值范围和取值步长，扫描组合各个参数的不同取值，分别建立有限元模型并进行计算。提取各个有限元模型的刚度结果、强度结果和振动结果，并和规范要求进行对比，挑选出满足以上三个条件的所有桥墩形式。最后，计算所有满足条件的桥墩形式的墩体积总量，并挑选出墩体积总量最小的桥墩形式作为该设计方法下的最佳桥墩形式。不同于之前仅靠人为经验简单加大桥墩厚度、宽度和混凝土浇筑量，来增大桥墩的刚度和强度的设计方法，该设计方法可以对桥墩的各个设计参数进行优化，从而能够设计出不仅满足刚度、强度和振动要求，且墩身体积小，更加经济合理的桥墩结构形式，可节省大量桥墩圬工量，具有较好的经济社会效益，与当前的技术和社会经济发展相协调，该设计方法可推广适用于铁路、公路等桥墩结构设计。优选地，所述步骤A中作用于待设计桥墩的载荷包括静载荷和动载荷。优选地，所述步骤C中各个设计参数的取值范围和取值步长根据桥墩设计规范的要求确定。优选地，所述步骤D通过在有限元软件中编写语句进行各个参数的扫描组合，而实现对所有参数的组合模型的扫描计算，实现参数化建模。优选地，所述步骤E从计算结果中提取出墩顶的水平力和位移值，并将水平力和位移的比值作为模型的刚度值。优选地，所述步骤F将计算得到的上述刚度值和规范要求的刚度值进行对比。优选地，所述步骤E提取出模型的应力结果并计算出最大合成应力。优选地，所述步骤G将计算得到的上述最大合成应力和墩身的临界应力进行对比。优选地，所述步骤E提取出横向第一自振周期。优选地，所述步骤H将计算得到的上述横向第一自振周期和规范要求的周期范围进行对比。与现有技术相比，本专利技术的有益效果：(1)本方法不是通过简单调整桥墩的厚度和宽度来满足桥梁高墩的动力特性，而是通过引入墩身和斜腿的高度、截面尺寸以及坡率，斜腿的分叉间距，系梁的高度和截面尺寸这些设计参数，并进行多次有限元计算来优化设计。设计出的桥墩不仅满足刚度、强度和振动要求，且墩身体积小，克服了传统的桥墩设计仅由刚度和强度双向进行控制的不足。(2)采用本方法设计出的桥墩，相对于简单的加大桥墩厚度和宽度的方式设计出的桥墩，可减轻墩身自重，缩小桥墩基础，节省大量桥墩圬工量，具有较好的经济效益，与当前的技术和社会经济发展相协调，本专利技术可推广适用于铁路、公路等桥墩结构设计。附图说明：图1为本专利技术所述的设计方法的流程示意图。图2为本专利技术所述的超高桥墩的结构示意图。图3为本专利技术所述的部分桥墩设计参数的示意图。图中标记：1-墩身，2-分岔区，3-系梁，4-斜腿。具体实施方式下面结合试验例及具体实施方式对本专利技术作进一步的详细描述。但不应将此理解为本专利技术上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本
技术实现思路
所实现的技术均属于本专利技术的范围。如图1-3所示，一种超高桥墩结构设计方法，主要包括以下几个步骤：步骤A：计算作用于待设计桥墩的荷载，包括静载荷和动载荷；步骤B：确定待设计桥墩的设计参数xi，设计参数xi设计参数包括墩身1和斜腿4的高度(H1和H2)、截面尺寸以及坡率(M1和M2)，斜腿4的分叉间距D，系梁3的高度h和截面尺寸；步骤C：确定各个设计参数xi的取值范围和取值步长则各xi的扫描点数为ni+1；步骤D：扫描组合各个设计参数xi的不同取值，采用参数化分别建立有限元模型并进行计算，对m个设计参数xi在取值范围内进行扫描计算，共进行次运算；步骤E：自动提取N个有限元模型的计算结果并进行分析。从计算结果中自动提取出出横向第一自振周期、墩顶的水平力、位移值等，并将水平力和位移的比值作为模型的刚度值；计算出所述桥墩的最大合成应力：式中：σ为墩身检算截面上的应力，MPa；N为墩身顶部处的轴向压力，MN；G为检算截面以上顺轴向的墩身自重，MN；A为检算截面的全面积，m2；Mx、My为检算截面上对重心轴x和y的弯矩，MN·m；Ix、Iy为检算截面绕重心轴x和y的全截面惯性矩，m4；x、y为检算截面上最大应力点或最小应力点的坐标，m；ηx、ηy为检算截面上弯矩Mx、My的增大系数。步骤F：将计算得到的上述刚度值和规范要求的刚度值进行对比，若满足要求，则满足要求的取值参数进入步骤G；若不满足要求，则剔除该桥墩形式；步骤G：分析满足步骤F的取值参数的计算结果，将计算得到的上述最大合成应力和墩身的临界应力进行对比，若满足要求，则进入步骤H；若不满足要求，则剔除该桥墩形式；步骤H：分析同时满足步骤F和G的取值参数的计算结果，将计算得到的上述横向第一自振周期和规范要求的周期范围进行对比，若满足要求，则进入步骤I；若不满足要求，则剔除该桥墩形式；步骤I：计算满足以上所有条件的取值参数分别对应的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超高桥墩结构设计方法，其特征在于，主要包括以下几个步骤：步骤A：计算作用于待设计桥墩的荷载；步骤B：确定待设计桥墩的设计参数，设计参数包括墩身(1)和斜腿(4)的高度、截面尺寸以及坡率，斜腿(4)的分叉间距，系梁(3)的高度和截面尺寸；步骤C：确定各个设计参数的取值范围和取值步长；步骤D：扫描组合各个设计参数的不同取值，分别建立有限元模型并进行计算；步骤E：提取各个有限元模型的计算结果并进行分析；步骤F：分析计算结果是否满足刚度要求，若满足要求，则满足要求的取值参数进入步骤G；若不满足要求，则剔除该桥墩形式；步骤G：分析满足步骤F的取值参数的计算结果是否满足强度要求，若满足要求，则进入步骤H；若不满足要求，则剔除该桥墩形式；步骤H：分析同时满足步骤F和G的取值参数的计算结果是否满足振动响应要求，若满足要求，则进入步骤I；若不满足要求，则剔除该桥墩形式；步骤I：计算满足以上所有条件的取值参数分别对应的所有桥墩形式的墩体积总量；步骤J：挑选出墩体积总量最小的桥墩形式；步骤K：结束，完成超高桥墩结构设计。

【技术特征摘要】
1.一种超高桥墩结构设计方法，其特征在于，主要包括以下几个步骤：步骤A：计算作用于待设计桥墩的荷载；步骤B：确定待设计桥墩的设计参数，设计参数包括墩身(1)和斜腿(4)的高度、截面尺寸以及坡率，斜腿(4)的分叉间距，系梁(3)的高度和截面尺寸；步骤C：确定各个设计参数的取值范围和取值步长；步骤D：扫描组合各个设计参数的不同取值，分别建立有限元模型并进行计算；步骤E：提取各个有限元模型的计算结果并进行分析；步骤F：分析计算结果是否满足刚度要求，若满足要求，则满足要求的取值参数进入步骤G；若不满足要求，则剔除该桥墩形式；步骤G：分析满足步骤F的取值参数的计算结果是否满足强度要求，若满足要求，则进入步骤H；若不满足要求，则剔除该桥墩形式；步骤H：分析同时满足步骤F和G的取值参数的计算结果是否满足振动响应要求，若满足要求，则进入步骤I；若不满足要求，则剔除该桥墩形式；步骤I：计算满足以上所有条件的取值参数分别对应的所有桥墩形式的墩体积总量；步骤J：挑选出墩体积总量最小的桥墩形式；步骤K：结束，完成超高桥墩结构设计。2.根据权利要求1所述的一种超高桥墩结构设计方法，其特征在于，所述步骤A中作用于待设计桥墩的载荷包括静载荷和动载荷。3.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈思孝，钟亚伟，李锐，陈克坚，吴再新，
申请(专利权)人：中铁二院工程集团有限责任公司，
类型：发明
国别省市：四川,51