一种基于空间拉压杆模型的独柱墩帽梁结构设计方法技术

本发明专利技术涉及一种基于空间拉压杆模型的独柱墩帽梁结构设计方法。本发明专利技术方法首先建立了一种针对独柱墩帽梁的空间拉压杆模型的基本构型；然后将该基本构型采用独柱墩帽梁中6个结构尺寸进行参数化表达。基于最小能量法则，建立起独柱墩帽梁的参数化表达的最优空间拉压杆模型并计算空间拉压杆模型的各空间杆件内力；利用各空间杆件内力的计算结果来替代现行规范方法中平面设计方法来对帽梁结构进行配筋设计。本发明专利技术基于最优空间拉压杆模型进行结构设计，由于考虑了结构受力的空间效应，其原理科学合理，对于结构安全合理设计具有重大意义；不仅如此，本发明专利技术还大大提高了独柱墩帽梁结构的设计效率并填充了现有规范中的空白。梁结构的设计效率并填充了现有规范中的空白。梁结构的设计效率并填充了现有规范中的空白。

【技术实现步骤摘要】
一种基于空间拉压杆模型的独柱墩帽梁结构设计方法


[0001]本专利技术涉及一种桥梁独柱墩结构的设计方法；属于土木工程应用


技术介绍

[0002]在城市公路桥梁以及内河通航河道中桥梁的建设过程中，由于受地形地物、 占地面积、城市景观以及过水断面和通航河道等影响。下部桥墩常采用独柱墩的 设计方案，以达到减少占用土地面积、改善桥梁下部结构布局、降低阻水面积、 避免基础与地下建筑冲突、增大航道宽度等目的。相应的，为增强上部结构的抗 扭能力，达到设计承载要求，通常需要在墩柱顶设置帽梁，以便于设置双支座或 多支座。然而由于设计等多方面的问题，这种独柱式桥墩在建设运营过程中出现 了诸如桥墩帽梁竖向裂缝等病害及问题。
[0003]出现裂缝等病害的一个很重要的因素是受限于我国的桥梁设计规范及设计 理论具有相当的时代局限性，对其受力性状的复杂性认识不足，导致对双支座帽 梁顶部的拉应力计算不足从而出现顺桥向的开裂，并随着该顶部纵向裂缝的发展， 继而使得桥墩帽梁顶部沿横桥向出现竖向裂缝。
[0004]一般来说，独柱式桥墩帽梁属于深受弯受力构件，基于平截面假定的一般受 弯构件方法不适用。新规范，即《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 (JTG 3362
‑
2018)》中给出的拉压杆模型计算方法较适用。但是，《规范》方法为 平面分析方法，仅适用于横桥向较宽，而顺桥向较窄的独柱式桥墩帽梁；而对于 横桥向和顺桥向尺寸差别不大的独柱式桥墩帽梁，规范方法中尚且没有针对性的 计算方法。如需采用规范方法计算，只能忽略结构的空间效应，分别对其横桥向 和顺桥向分别借鉴相似的规范条款进行计算配筋。无疑，这种方法存在有未知之 处，其可靠性、合理性均值得考究。对于这类构件，目前工程技术人员一般采用 基于实体有限元模型空间应力分析结果积分的方法，这样得到的计算结果相对可 靠。然而，实体有限元模型方法计算过程繁琐，无法直接根据简化的计算公式或 程序进行配筋设计，实用性较差。
[0005]在上述基础上，本专利专利技术了一种基于空间拉压杆模型的独柱墩帽梁结构设 计方法。

技术实现思路

[0006]本专利技术针对现有技术的不足，本专利技术方法首先建立了一种针对独柱墩帽梁的 空间拉压杆模型的基本构型；然后将该基本构型采用独柱墩帽梁中6个结构尺寸 (帽梁横桥向宽度b、帽梁横顺向厚度t、帽梁高度h、墩柱直径d、帽梁横桥向 支座中心间距s以及支座钢板宽度a)进行参数化表达，基于最小能量法则，建 立起独柱墩帽梁的参数化表达的最优空间拉压杆模型；基于最优空间拉压杆模型， 计算空间拉压杆模型的各空间杆件内力；利用各空间杆件内力的计算结果来替代 现行规范方法中平面设计方法来对帽梁结构进行配筋设计。
[0007]本专利技术一种桥梁独柱墩结构的设计方法，基于独柱墩帽梁的结构尺寸参数建 立
结构的空间拉压杆模型，以最小能量准则计算并建立最优空间拉压杆模型的构 型，以此计算模型中拉杆内力从而进行配筋设计，实现独柱墩帽梁的空间化设计。
[0008]本专利技术的主要内容包括：
[0009](1)独柱墩帽梁的空间拉压杆模型
[0010]拉压杆模型是从混凝土结构连续体内抽象出的一种简化力流分析模型，由压 杆、拉杆和节点组成，能够反映结构内部的传力途径，可以用于确定混凝土D 区的结构尺寸、截面的钢筋面积以及钢筋的布置位置。通过建立的拉压杆模型， 能够真实反映出混凝土结构内部的传力机理，以此作为结构的尺寸拟定和配筋设 计的依据。独柱墩帽梁的空间拉压杆模型的特征如下：
①
在独柱墩帽梁结构中， 内力呈空间扩散，无论是在横桥向还是顺桥向，拉压杆模型中斜压杆均存在倾斜 角度；
②
在横桥向剖面上，水平拉杆位于帽梁顶部；在顺桥向剖面上，水平拉杆 位于帽梁中部附近。
[0011](2)基于最优空间拉压杆模型的杆件内力计算
[0012]基于最优空间拉压杆模型的杆件内力计算过程简述如下：
[0013]采用顺桥向上中部水平拉杆距离帽梁顶部的距离x为未知量，来表达空间拉 压杆模型中压杆A
‑
G在横桥向上的倾角θ、以及在顺桥向上的倾角α，从而表达 独柱墩帽梁空间拉压杆模型的应变能。
[0014]对以x表达的空间拉压杆模型的应变能表达式进行求导，根据最小能量法可 知，当其导数为0时，空间拉压杆模型为最优构形。
[0015]求出该最优构形的空间拉压杆模型后，按几何条件求解模型中杆件内力，用 以进行配筋设计计算。
[0016]本专利技术基于空间拉压杆模型的独柱墩帽梁结构设计方法，包括下述步骤：
[0017]步骤一：建立独柱墩帽梁的空间拉压杆模型的基本构型；所述基本构型包括： 帽梁(1)、墩柱节段(2)、双支座钢板(3)、支座反力(4)、拉杆(5)、压杆(6)。所述帽 梁(1)的结构尺寸分别为横桥向宽度b、顺桥向厚度t、高度h；所述墩柱节段(2) 的结构尺寸为墩柱直径d，墩柱节段高度d；所述双支座钢板(3)为矩形板，宽度 为a，双支座钢板于顺桥向上均位于墩帽(1)的中轴线上，横桥向上双支座钢板的 中心间距为s；所述支座反力(4)为P
d
；所述拉杆(5)、压杆(6)均由节点A、B、C、 D、E、F、G、H、A
’
、B
’
、C
’
、D
’
、E
’
、F
’
、G
’
、H
’
连接组成；如：所述拉杆 (5)包括节点A、D连接构成的拉杆，由节点A
’
、D
’
连接构成的拉杆，由节点G、 G
’
连接构成的拉杆，由节点H、H
’
连接构成的拉杆；所述压杆(6)包括由节点A、 G构成的压杆，由节点G、B构成的压杆，由节点B、C构成的压杆，由节点D、 H构成的压杆，由节点H、E构成的压杆，由节点E、F构成的压杆，由节点G、 H构成的压杆，由节点B、E构成的压杆，节点A
’
、G
’
构成的压杆，由节点G
’
、 B
’
构成的压杆，由节点B
’
、C
’
构成的压杆，由节点D
’
、H
’
构成的压杆，由节点 H
’
、E
’
构成的压杆，由节点E
’
、F
’
构成的压杆，由节点G
’
、H
’
构成的压杆，由 节点B
’
、E
’
构成的压杆，由节点A、A
’
构成的压杆，由节点D、D
’
构成的压杆， 由节点B、B
’
构成的压杆，由节点E、E
’
构成的压杆；
[0018]节点A、B、C、D、E、F、G、H与A
’
、B
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于空间拉压杆模型的独柱墩帽梁结构设计方法，其特征在于：基于独柱墩帽梁的结构尺寸参数建立结构的空间拉压杆模型，以最小能量准则计算并建立最优空间拉压杆模型的构型，以此计算模型中拉杆及压杆内力从而进行配筋设计，实现独柱墩帽梁的空间化设计。2.根据权利要求1所述的一种基于空间拉压杆模型的独柱墩帽梁结构设计方法，其特征在于：包括下述步骤：步骤一：建立独柱墩帽梁的空间拉压杆模型的基本构型；所述基本构型包括：帽梁(1)、墩柱节段(2)、双支座钢板(3)、支座反力(4)、拉杆(5)、压杆(6)；所述帽梁(1)的结构尺寸分别为横桥向宽度b、顺桥向厚度t、高度h；所述墩柱节段(2)的结构尺寸为墩柱直径d，墩柱节段高度d；所述双支座钢板(3)为矩形板，宽度为a，双支座钢板于顺桥向上均位于墩帽(1)的中轴线上，横桥向上双支座钢板的中心间距为s；所述支座反力(4)为P
d
；所述拉杆(5)包括节点A、D连接构成的拉杆，由节点A
’
、D
’
连接构成的拉杆，由节点G、G
’
连接构成的拉杆，由节点H、H
’
连接构成的拉杆；所述压杆(6)包括由节点A、G构成的压杆，由节点G、B构成的压杆，由节点B、C构成的压杆，由节点D、H构成的压杆，由节点H、E构成的压杆，由节点E、F构成的压杆，由节点G、H构成的压杆，由节点B、E构成的压杆，节点A
’
、G
’
构成的压杆，由节点G
’
、B
’
构成的压杆，由节点B
’
、C
’
构成的压杆，由节点D
’
、H
’
构成的压杆，由节点H
’
、E
’
构成的压杆，由节点E
’
、F
’
构成的压杆，由节点G
’
、H
’
构成的压杆，由节点B
’
、E
’
构成的压杆，由节点A、A
’
构成的压杆，由节点D、D
’
构成的压杆，由节点B、B
’
构成的压杆，由节点E、E
’
构成的压杆；节点A、B、C、D、E、F、G、H与A
’
、B
’
、C
’
、D
’
、E
’
、F
’
、G
’
、H
’
在帽梁(1)顺桥向上的中轴线上是对称的；其中，连接拉杆(5)以及压杆(6)的各节点位置具有以下特征：(1)A、D、A
’
、D
’
的竖向位置位于帽梁(1)顶部的同一平面上，其平面位置对应支座反力(4)的作用位置；(2)C、F、C
’
、F
’
的竖向位置位于墩柱节段(2)底部的同一平面上，其平面位置对应墩柱节段1/4半径的位置；(3)G、H、G
’
、H
’
的竖向位置位于距离帽梁(1)顶部为x的平面上，其平面位置在横桥向视角位于夹角为θ的位置，在顺桥向视角位于夹角为α的位置；(4)B、E、B
’
、E
’
分别为压杆G
‑
B、B
‑
C的交点，压杆H
‑
E、E
‑
F的交点，压杆G
’‑
B
’
、B
’‑
C
’
的交点，压杆H
’‑
E
’
、E
’‑
F
’
的交点；B、E、B
’
、E
’
的平面位置对应C、F、C
’
、F
’
节点，其竖向位置与顺桥向上中部水平拉杆距离帽梁(1)顶部的距离x有关，是关于x的求解函数；步骤二：建立由模型压杆决定的应变能公式：式中：V
ε
为应变能，K
l
为压杆刚度，E
l
为杆件材料的弹性模量，l为杆件长度，A
l
为杆件的截面积，F
l
为杆件轴力，l
i
、A
li
以及F
li
则分别为第i根杆件的长度、面积和杆件轴力；其中，计算压杆面积时需要定义压杆宽度、厚度，其定义遵循以下原则：(1)由于力流自支座钢板(3)下方发出，故A
‑
B压杆、A
‑
A
’
压杆的顶面宽度分别为支座整
宽度a以及支座半宽度a/2；(2)自水平压杆B
‑
E或B
‑
B
’
往下，力流的方向为垂直，布满整个桥墩截面，故B
‑
C压杆的顶面宽度，亦即G
‑
B压杆的底面宽度为d/2，d为墩柱节段(2)的直径；(3)A
‑
G压杆底面及G
...

【专利技术属性】
技术研发人员：常柱刚，罗晓光，成丕富，黄天立，王正军，丁磊，
申请(专利权)人：中铁建工集团有限公司，
类型：发明
国别省市：