一种基于墩身任意截面的铁路简支梁桥墩地震力计算方法技术

本发明专利技术公开了一种基于墩身任意截面的铁路简支梁桥墩地震力计算方法，包括以下步骤：铁路简支梁桥墩任意截面输入、铁路简支梁桥墩节点离散及标序、计算单位力作用下桩基水平位移和转角位移、计算单位力作用下墩身弹性变形、形成桩基耦合柔度矩阵F、形成质量矩阵M、求解各阶振型及特征值、求解地震力。本发明专利技术能够针对交通运输领域如铁路、公路、市政、轻轨等不同类型的简支梁实心或空心桥墩的地震力计算，该方法适用于任意墩形、不同跨度简支梁桥墩，适用于不同地震烈度和场地土类别的多遇地震力计算，解决了在铁路桩基设计过程中需要快速批量准确计算地震力的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于墩身任意截面的铁路简支梁桥墩地震力计算方法
本专利技术涉及交通运输业桥梁工程
，具体涉及一种基于墩身任意截面的铁路简支梁桥墩地震力计算方法。
技术介绍
在高速铁路桥梁设计中，简支梁桥墩的地震力计算是很重要的内容，地质条件越差，地震烈度越高的地方，地震力就越控制墩台的设计。目前常规设计中，常用规范简化公式用于设计，设计者将其做成了excel计算表格，但该种计算方式的计算误差较大。也有采用商业有限元软件如midas进行建模计算，但建模计算的工作量很大，而桥墩的地震力与地质条件、桥墩几何尺寸等因素密切相关，对于大批量的简支梁桥墩来说，去用有限元建模计算每一个桥墩也不现实。各设计院也编写了一些简支梁地震力计算的软件，但往往只能处理简单的几种墩形，而随着高铁的发展，墩形也呈现出越来越多的样式。针对上述问题，很有必要开发出一套计算精度准确，能反映桩基基础地质条件约束，且适应任意墩形的简支梁地震力计算方法。
技术实现思路
本专利技术为解决现有技术存在的问题而提出，其目的是提供一种基于墩身任意截面的铁路简支梁桥墩地震力计算方法。能够针对交通运输领域如铁路、公路、市政、轻轨等不同类型的简支梁实心或空心桥墩，进行各地质条件、各复杂墩形的简支梁桥墩批量计算。本专利技术的技术方案是：一种基于墩身任意截面的铁路简支梁桥墩地震力计算方法，包括，包括以下步骤：步骤A，铁路简支梁桥墩任意截面输入：制定截面输入规则，将桥墩沿着高度方向分段输入，每个节段均输入顶面和底面的截面信息；步骤B，铁路简支梁桥墩节点离散及标序对铁路简支梁桥墩，从墩顶到墩底截面，按一定间距划分节点，并标注节点号，两节点之间构成一个梁单元；步骤C，计算单位力作用下桩基水平位移α和转角位移β在桩基承台底部中心作用单位水平力，得到桩基承台的水平位移α和转角位移β；步骤D，计算单位力作用下墩身弹性变形在桥墩节点上作用一个单位力，计算出作用节点处墩身的弹性水平位移和转角位移；步骤E，形成桩基耦合柔度矩阵F综合考虑桩基变形和墩身弹性变形的影响，分别计算出墩身受力节点的水平位移及其它节点的水平位移，并将两类水平位移组建成桩基耦合柔度矩阵F；步骤F，形成质量矩阵M按照桥墩的节点划分，将节点上下两段质量之和的一半计入该节点的质量，构成质量矩阵的对角阵，质量矩阵中其它矩阵元素为零，对于需要考虑列车、梁体、支座等质量的工况，分别将列车、梁体、支座的质量计入质量矩阵的对角阵中；步骤G，求解各阶振型及特征值利用上述桩基耦合柔度矩阵和质量矩阵列出特征方程，利用迭代算法计算出各阶振型和特征值；步骤H，求解地震力：利用步骤G得到的各阶振型和频率所对应的桥墩各节点的地震力，将各阶振型的地震力进行叠加得到最终地震力。具体的，步骤A中截面输入规则适用于任意一种形状的桥墩截面，截面输入规则具体如下：将截面的边按照逆时针方向输入，每条边数据中间用分号隔开，每条边包含五项信息，每项信息之间用逗号隔开，五项信息如下：a.轮廓编号，其中，外轮廓大于零，内轮廓小于零；b.起始端点X坐标；c.起始端点Z坐标；d.半径R，其中，数据等于零代表直线段，数据大于零表示圆弧的半径值；e.圆弧标示，其中数据等于零代表整圆，数据大于零表示劣弧，数据小于零代表优弧。具体的，步骤B中对桥墩沿着竖直方向进行节点划分，从墩顶到墩底进行标号，墩身可划分为NP段，基础可划分为NC段，考虑列车、简支梁梁体及支座的影响，分顺桥向、横桥向有车、横桥向无车三种工况进行节点标号，各工况的节点数为：横桥向有车工况：NP+NC+1+3横桥向无车工况：NP+NC+1+2顺桥向工况：NP+NC+1+1以上，NP、NC分别为墩身和基础的节段划分数量。具体的，步骤C中计算单位力作用下桩基水平位移α和转角位移β，按照以下公式进行计算：以上，α、β分别为承台板底面的水平位移和绕坐标原点的转角，γαα、γββ、γαβ、γβα等参数为桩基计算参数，H、M分别为承台板底面原点所承受的水平力和弯矩，此处H取单位力，M取零。具体的，步骤D中计算单位力作用下墩身弹性变形，按照以下公式进行计算：其中，以上，y0(n)、分别为单位力作用下墩身弹性变形受荷节点处位移和转角，Ei为第i个单元的弹性模量，li、lj为第i、j个单元的单元长度。具体的，步骤E中，形成桩基耦合柔度矩阵F的计算过程如下：首先，单位力作用下考虑桩基耦合效应的受荷节点处位移计算公式为：CF(i,i)＝α+β·Li+y0(n)以上，CF(i,i)为单位力作用下墩身和桩基础共同影响下的受荷节点处位移，Li为第i个节点到承台板底面的距离；然后，单位力作用下考虑桩基耦合效应的各节点的转角位移计算公式为：以上，fai_1为单位力作用下各节点的转角，再后，单位力作用下考虑桩基耦合效应的受荷节点以外各节点的位移，表达式为：CF(j,i)＝CF(i,i)+fai_1·Lj以上，CF(j,i)为单位力作用下墩身和桩基础共同影响下的受荷节点以外各节点的位移，Lj为第j个节点到承台板底面的距离，最后，将CF(i,i)和CF(j,i)组合而形成柔度矩阵F。具体的，步骤F中形成质量矩阵M的具体过程如下：按照步骤B对墩台基础进行节点划分后，两节点之间的任一个单元均可计算出质量，可记作m0i，对于节点处的集中质量mi，取节点上下两段质量之半进行计算，公式为：mi＝(m0i+m0i+1)/2对于桥墩墩顶的节点，暂且记作0号节点，其公式为：m0＝m00/2对于基础底层的节点，暂且记作NP+NC号节点，其公式为：mNP+NC＝m0Np+NC/2对于墩顶以上的节点，其分别代表支座+垫石质量、梁体质量、列车活载质量，分别将其竖向质量计入相应的质量矩阵位置中，以上，mi为墩身中间节点的质量，m0为墩顶节点的质量，mNP+NC为基础底面节点的质量。m0i、m0i+1分别为第i、i+1节段的质量，m00、m0Np+NC分别为墩顶位置和基础底位置节段的质量。具体的，步骤G求解各阶振型及特征值，具体计算过程如下：首先，利用柔度矩阵和质量矩阵，列出通用特征方程：FMX＝λX然后，利用迭代法求解各阶振型频率，过程如下：首先假设向量代入公式通用特征方程中，得到当按上式迭代求出第一振型和第一特征值λ1后，第二振型向量可下式计算按上式采用迭代方式收敛到第二振型和第二特征值的结果，同理，求出第n阶振型和特征值的求解迭代公式以上，F为柔度矩阵，M为质量矩阵，λ1、λ2……λn为各阶特征值，为各阶振型，Ts1、Ts2……Tsn-1为各阶振型的消去本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于墩身任意截面的铁路简支梁桥墩地震力计算方法，包括，其特征在于：包括以下步骤：/n步骤A，铁路简支梁桥墩任意截面输入/n制定截面输入规则，将桥墩沿着高度方向分段输入，每个节段均输入顶面和底面的截面信息；/n步骤B，铁路简支梁桥墩节点离散及标序/n对铁路简支梁桥墩，从墩顶到墩底截面，按一定间距划分节点，并标注节点号，两节点之间构成一个梁单元；/n步骤C，计算单位力作用下桩基水平位移α和转角位移β/n在桩基承台底部中心作用单位水平力，得到桩基承台的水平位移α和转角位移β；/n步骤D，计算单位力作用下墩身弹性变形/n在桥墩节点上作用一个单位力，计算出作用节点处墩身的弹性水平位移和转角位移；/n步骤E，形成桩基耦合柔度矩阵F/n综合考虑桩基变形和墩身弹性变形的影响，分别计算出墩身受力节点的水平位移及其它节点的水平位移，并将两类水平位移组建成桩基耦合柔度矩阵F；/n步骤F，形成质量矩阵M/n按照桥墩的节点划分，将节点上下两段质量之和的一半计入该节点的质量，构成质量矩阵的对角阵，质量矩阵中其它矩阵元素为零，对于需要考虑列车、梁体、支座等质量的工况，分别将列车、梁体、支座的质量计入质量矩阵的对角阵中；/n步骤G，求解各阶振型及特征值/n利用上述桩基耦合柔度矩阵和质量矩阵列出特征方程，利用迭代算法计算出各阶振型和特征值；/n步骤H，求解地震力/n利用步骤G得到的各阶振型和频率所对应的桥墩各节点的地震力，将各阶振型的地震力进行叠加得到最终地震力。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于墩身任意截面的铁路简支梁桥墩地震力计算方法，包括，其特征在于：包括以下步骤：
步骤A，铁路简支梁桥墩任意截面输入
制定截面输入规则，将桥墩沿着高度方向分段输入，每个节段均输入顶面和底面的截面信息；
步骤B，铁路简支梁桥墩节点离散及标序
对铁路简支梁桥墩，从墩顶到墩底截面，按一定间距划分节点，并标注节点号，两节点之间构成一个梁单元；
步骤C，计算单位力作用下桩基水平位移α和转角位移β
在桩基承台底部中心作用单位水平力，得到桩基承台的水平位移α和转角位移β；
步骤D，计算单位力作用下墩身弹性变形
在桥墩节点上作用一个单位力，计算出作用节点处墩身的弹性水平位移和转角位移；
步骤E，形成桩基耦合柔度矩阵F
综合考虑桩基变形和墩身弹性变形的影响，分别计算出墩身受力节点的水平位移及其它节点的水平位移，并将两类水平位移组建成桩基耦合柔度矩阵F；
步骤F，形成质量矩阵M
按照桥墩的节点划分，将节点上下两段质量之和的一半计入该节点的质量，构成质量矩阵的对角阵，质量矩阵中其它矩阵元素为零，对于需要考虑列车、梁体、支座等质量的工况，分别将列车、梁体、支座的质量计入质量矩阵的对角阵中；
步骤G，求解各阶振型及特征值
利用上述桩基耦合柔度矩阵和质量矩阵列出特征方程，利用迭代算法计算出各阶振型和特征值；
步骤H，求解地震力
利用步骤G得到的各阶振型和频率所对应的桥墩各节点的地震力，将各阶振型的地震力进行叠加得到最终地震力。


2.根据权利要求1所述的一种基于墩身任意截面的铁路简支梁桥墩地震力计算方法，其特征在于：步骤A中截面输入规则适用于任意一种形状的桥墩截面，截面输入规则具体如下：
将截面的边按照逆时针方向输入，每条边数据中间用分号隔开，每条边包含五项信息，每项信息之间用逗号隔开，五项信息如下：
a.轮廓编号，其中，外轮廓大于零，内轮廓小于零；
b.起始端点X坐标；
c.起始端点Z坐标；
d.半径R，其中，数据等于零代表直线段，数据大于零表示圆弧的半径值；
e.圆弧标示，其中数据等于零代表整圆，数据大于零表示劣弧，数据小于零代表优弧。


3.根据权利要求1所述的一种基于墩身任意截面的铁路简支梁桥墩地震力计算方法，其特征在于：步骤B中对桥墩沿着竖直方向进行节点划分，从墩顶到墩底进行标号，墩身可划分为NP段，基础可划分为NC段，
考虑列车、简支梁梁体及支座的影响，分顺桥向、横桥向有车、横桥向无车三种工况进行节点标号，各工况的节点数为：
横桥向有车工况：NP+NC+1+3
横桥向无车工况：NP+NC+1+2
顺桥向工况：NP+NC+1+1
以上，NP、NC分别为墩身和基础的节段划分数量。


4.根据权利要求1所述的一种基于墩身任意截面的铁路简支梁桥墩地震力计算方法，其特征在于：步骤C中计算单位力作用下桩基水平位移α和转角位移β，按照以下公式进行计算：



以上，α、β分别为承台板底面的水平位移和绕坐标原点的转角，γαα、γββ、γαβ、γβα等参数为桩基计算参数，H、M分别为承台板底面原点所承受的水平力和弯矩，此处H取单位力，M取零。


5.根据权利要求1所述的一种基于墩身任意截面的铁路简支梁桥墩地震力计算方法，其特征在于：步骤D中计算单位力作用下墩身弹性变形，按照以下公式进行计算：



其中，



以上，y0(n)、分别为单位力作用下墩身弹性变形受荷节点处位移和转角，Ei为第i个单元的弹性模量，li、lj为第i、j个单元的单元长度。


6.根据权利要求1所述的一种基于墩身任意截面的铁路简支梁桥墩地震力计算方法，其特征在于：
步骤E中，形成桩基耦合柔度矩阵F的计算过程如下：
首先，单位力作用下考虑桩基耦合效应的受荷节点处位移计算公式为：
CF(i,i)＝α+β·Li+y0(n)
以上，CF(i,i)为单位力作用下墩身和桩基础共同影响下的受荷节点处位移，Li为第i个节点到承台板底面的距离；

【专利技术属性】
技术研发人员：苏伟，王雨权，廖立坚，刘洪占，傅安民，刘龙，张兴华，杨智慧，白青波，吴迪，
申请(专利权)人：中国铁路设计集团有限公司，
类型：发明
国别省市：天津;12