一种灌浆套筒连接预制拼装桥墩数字孪生开裂预测方法技术

本发明专利技术是一种灌浆套筒连接预制拼装桥墩数字孪生开裂预测方法，包括以下步骤：提出灌浆套筒连接钢筋复合截面特性的等效计算方法；划分桥墩截面上的套筒单元和混凝土单元；认为位于套筒区顶部的膜单元体最先开裂，进行桥墩截面的受力分析计算；然后进行MCFT理论的计算，求解得到第一个开裂单元的开裂角度，得到相邻膜单元体的裂缝开裂起始位置，并迭代计算该膜单元体的裂缝开裂角度。以此类推，直到主拉应变小于等于开裂应变时，认为计算的裂缝实际上未开裂，计算终止。本发明专利技术可准确预测灌浆套筒连接桥墩的开裂情况，且计算速度快，易收敛。敛。敛。

【技术实现步骤摘要】
一种灌浆套筒连接预制拼装桥墩数字孪生开裂预测方法


[0001]本专利技术涉及土木工程
，尤其涉及一种灌浆套筒连接预制拼装桥墩数字孪生开裂预测方法。

技术介绍

[0002]MCFT(修正压力场理论)的主要优势在于将钢筋和混凝土作为一种新型材料进行创造性的组装，共同分析受力。MCFT根据钢筋的平衡方程、变形协调关系、钢筋的应力
‑
应变关系和张拉开裂混凝土的应力
‑
应变关系，可以确定任意荷载下的平均应力、平均应变和直至破坏的角度。因此，MCFT可用于分析平面膜单元的开裂角度，并计算钢筋混凝土梁的水平承载力。
[0003]随着桥梁快速建造的推广，灌浆套筒作为一种新的连接结构被应用到预制桥墩的装配连接设计和施工中。在计算灌浆套筒连接预制拼装桥墩的抗震开裂情况时，与现有普通现浇混凝土结构的开裂计算方法存在一定区别，主要表现在：
[0004]1)MCFT理论假设纵向和横向钢筋在混凝土中均匀分布，但由于套筒与混凝土的刚度差异较大，灌浆套筒区域不能被视为钢筋的均匀分布。
[0005]2)套筒连接是由钢筋、套筒和灌浆材料组成的复合结构，其本构关系需要重新计算，不能将原材料直接用于MCFT分析。
[0006]3)现浇柱的开裂角度在桥墩截面高度范围内是基本一致的，因此选取一个开裂角度即可以。而灌浆套筒桥墩试验结果表明，裂缝的方向在桥墩范围内是变化的。
[0007]因此，在使用MCFT分析与灌浆套筒连接的预制墩柱的开裂情况时，有必要建立一种基于MCFT的新方法。

技术实现思路

[0008]本专利技术旨在解决上述提到的不足，而提供一种灌浆套筒连接预制拼装桥墩数字孪生开裂预测方法，
[0009]本专利技术为实现上述目的，采用以下技术方案：一种灌浆套筒连接预制拼装桥墩数字孪生开裂预测方法，包括以下步骤：
[0010]S1、提出灌浆套筒连接钢筋复合截面特性的等效计算方法；
[0011]S2、划分桥墩截面上的套筒单元和混凝土单元，确定单元尺寸；
[0012]S3、认为位于套筒区顶部的膜单元体最先开裂，根据S1中提出的等效计算方法，进行桥墩截面的受力分析计算，求得该膜单元体的外力情况；
[0013]S4、根据S3中求得的膜单元体的外力情况，进行MCFT理论的计算，求解得到第一个开裂单元的开裂角度和相应的开裂起始点坐标和终点坐标，并绘制第一条裂缝；
[0014]S5、对第二个开裂单元的开裂角度和开裂深度进行求解；
[0015]S501、在第一条裂缝的开裂终点高度位置，取一个膜单元体进行MCFT理论的试算，计算出拟定的第二条裂缝的开裂角度；
[0016]S502、通过拟定的第二条裂缝的开裂角度绘制出拟定的第二条裂缝，此时第二条裂缝与第一条裂缝首尾不相接；
[0017]S503、取拟定第二条裂缝中间点下移第二条裂缝终点距离中间点高度后的位置作为实际第二条裂缝中间点，以该中间点位置的膜单元体重新进行MCFT理论的计算，得出实际第二条裂缝的开裂角度和开裂深度，并绘制第二条裂缝；
[0018]S6、按照上述方法继续求解下一条裂缝的开裂角度和深度，并绘制下一条裂缝，随着计算的进行，每个单元的中心膜单元体的主拉应变会逐渐减小，当主拉应变小于等于开裂应变时，认为计算的裂缝实际上未开裂，计算终止。
[0019]特别的，S1中提出的等效计算方法如下：
[0020]S101、以半灌浆套筒的一端无钢筋位置的截面为控制截面，以全灌浆套筒的中心位置截面为控制截面，假设钢管混凝土的整体构件为钢材，通过该标准将混凝土强度转化为钢材的强度，因此，钢管混凝土的等效弹性模量为：
[0021][0022]式中：
[0023]E
m
——钢管混凝土的等效弹性模量；
[0024]E
s
——钢筋的杨氏弹性模量；
[0025]E
c
——混凝土的杨氏弹性模量；
[0026]A
cg
——钢管内混凝土的截面面积；
[0027]A
sg
——钢管的截面面积；
[0028]S102、钢管混凝土的等效刚度为：
[0029]E
m
A
sg
＝E
s
A
sg
+0.4E
c
A
cg
；
[0030]S103、根据刚度的等效结果，将灌浆套筒的组合截面转化为弹性模量的新材料，假设钢管的等效面积为A
se
，得到刚度等效关系如下：
[0031]E
m
A
sg
＝E
s
A
se
。
[0032]特别的，S2中的划分单元及确定单元尺寸方法如下：
[0033]S201、将带灌浆套筒的截面转化为一个组合截面，根据套筒的位置、直径和长度建立套筒单元，套筒单元建立后，相邻两套筒单元之间的部分看作是一个只有横向钢筋的混凝土单元；
[0034]S202、假定套筒单元的宽度是套筒直径的两倍，即：l1＝2D，混凝土单元的宽度为：l2＝d
s
‑
2D，d
s
为相邻两套筒中心之间的距离，D为套筒直径；
[0035]S203、根据套筒单元和混凝土单元的定义宽度，将整个截面划分为若干分离层，并将钢筋按照对应的混凝土层分离出来。
[0036]特别的，S3中的截面受力分析方法如下：
[0037]S301、基于平截面的假设，截面上应变之间的关系如下：
[0038][0039]式中：
[0040]ε
c0
——混凝土受压区边缘的最大应变；
[0041]x——受压区高度；
[0042]y
i
——单元中心到截面边缘的距离；
[0043]ε
xi
——套筒单元的平均纵向应变；
[0044]S302、给定一个ε
xi
，根据套筒单元的线形本构关系确定套筒单元的纵向应力f
sxi
根据混凝土受压应力应变关系确定混凝土单元的纵向应力f
cxi
；
[0045]S303、根据平截面的假设建立弯矩平衡，轴力由压缩混凝土和套筒抵抗，忽略混凝土的抗拉能力，得到下式：
[0046]N
u
＝∑f
cxi
bl
i
+∑f
sxi
(A
t
'
i
‑
A
ti
)bl
i
，
[0047][0048]式中：
[0049]N
u
——施加的轴力；
[0050]M
u
——截面弯矩，矩心取到截面边缘距离，为受压区高度x/3处，即受压区的合力点；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种灌浆套筒连接预制拼装桥墩数字孪生开裂预测方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、提出灌浆套筒连接钢筋复合截面特性的等效计算方法；S2、划分桥墩截面上的套筒单元和混凝土单元，确定单元尺寸；S3、认为位于套筒区顶部的膜单元体最先开裂，根据S1中提出的等效计算方法，进行桥墩截面的受力分析计算，求得该膜单元体的外力情况；S4、根据S3中求得的膜单元体的外力情况，进行MCFT理论的计算，求解得到第一个开裂单元的开裂角度和相应的开裂起始点坐标和终点坐标，并绘制第一条裂缝；S5、对第二个开裂单元的开裂角度和开裂深度进行求解；S501、在第一条裂缝的开裂终点高度位置，取一个膜单元体进行MCFT理论的试算，计算出拟定的第二条裂缝的开裂角度；S502、通过拟定的第二条裂缝的开裂角度绘制出拟定的第二条裂缝，此时第二条裂缝与第一条裂缝首尾不相接；S503、取拟定第二条裂缝中间点下移第二条裂缝终点距离中间点高度后的位置作为实际第二条裂缝中间点，以该中间点位置的膜单元体重新进行MCFT理论的计算，得出实际第二条裂缝的开裂角度和开裂深度，并绘制第二条裂缝；S6、按照上述方法继续求解下一条裂缝的开裂角度和深度，并绘制下一条裂缝，随着计算的进行，每个单元的中心膜单元体的主拉应变会逐渐减小，当主拉应变小于等于开裂应变时，认为计算的裂缝实际上未开裂，计算终止。2.根据权利要求1所述的一种灌浆套筒连接预制拼装桥墩数字孪生开裂预测方法，其特征在于，S1中提出的等效计算方法如下：S101、以半灌浆套筒的一端无钢筋位置的截面为控制截面，以全灌浆套筒的中心位置截面为控制截面，假设钢管混凝土的整体构件为钢材，通过该标准将混凝土强度转化为钢材的强度，因此，钢管混凝土的等效弹性模量为：式中：E
m
——钢管混凝土的等效弹性模量；E
s
——钢筋的杨氏弹性模量；E
c
——混凝土的杨氏弹性模量；A
cg
——钢管内混凝土的截面面积；A
sg
——钢管的截面面积；S102、钢管混凝土的等效刚度为：E
m
A
sg
＝E
s
A
sg
+0.4E
c
A
cg
；S103、根据刚度的等效结果，将灌浆套筒的组合截面转化为弹性模量的新材料，假设钢管的等效面积为A
se
，得到刚度等效关系如下：E
m
A
sg
＝E
s
A
se
。3.根据权利要求2所述的一种灌浆套筒连接预制拼装桥墩数字孪生开裂预测方法，其
特征在于，S2中的划分单元及确定单元尺寸方法如下：S201、将带灌浆套筒的截面转化为一个组合截面，根据套筒...

【专利技术属性】
技术研发人员：周俊龙，王雨权，李晓鹏，靳贺欣，刘晓敏，王泽岸，高志军，耿文宾，薛嵩，蔡送宝，
申请(专利权)人：中国铁路设计集团有限公司中建桥梁有限公司，
类型：发明
国别省市：