基于板件离散的箱形截面桥梁统一承载力预测方法和系统技术方案

本发明专利技术涉及桥梁结构设计技术领域，尤其是一种基于板件离散的箱形截面桥梁统一承载力预测方法和系统

【技术实现步骤摘要】
基于板件离散的箱形截面桥梁统一承载力预测方法和系统


[0001]本专利技术涉及桥梁结构设计
，尤其是一种基于板件离散的箱形截面桥梁统一承载力预测方法和系统
。

技术介绍

[0002]对于箱形截面桥梁，由于空间效应的存在，结构一般处于拉
、
压
、
弯
、
剪
、
扭
、
框架效应的复杂组合受力下，其破坏机理十分复杂，目前还没有一种可以被普遍接受的统一破坏理论与承载力计算方法
。
理论上长期不完善，直接影响到箱形截面桥梁在各种组合荷载下的承载力计算，导致的结果是为保证结构的安全往往需要在承载力计算方法中附加各种放大系数，偏保守地进行承载力设计，造成结构材料的浪费，经济性较差
。
[0003]造成上述问题的原因主要是现有的诸多承载力计算理论均是在结构的截面层次展开，以截面内力为承载力计算对象
。
由于从内力视角出发研究结构在不同受力组合下的耦合机理较为困难，长期以来这些承载力计算理论大多是将拉
、
压
、
弯
、
剪
、
扭部分分开，甚至是将箱形截面桥梁的顺桥向承载力与横桥向承载力分开，设计时偏安全地取各种单项受力对应承载力的包络结果，往往过于保守
。
[0004]因此，在愈发强调结构设计精细化
、
经济化
、
低碳化的背景下，建立一种能够考虑箱形截面桥梁复杂受力特性的统一承载理论与计算方法，更明确地表现截面在不同受力组合下的耦合作用机理，实现箱形截面桥梁承载力计算方法的统一，是十分必要的
。

技术实现思路

[0005]为了克服上述现有技术中缺乏箱形截面桥梁统一承载力计算方法的缺陷，本专利技术提出了一种基于板件离散的箱形截面桥梁统一承载力预测方法，基于截面内离散形成的不同板件，进行准确的承载力计算与判断
。
[0006]本专利技术提出的一种基于板件离散的箱形截面桥梁统一承载力预测方法，包括以下步骤：
[0007]S1、
设置箱形截面桥梁的荷载
F
，将箱形截面桥梁的截面离散为多个板件，建立荷载状态下箱形截面桥梁离散为板件的有限元模型，计算各板件承载的载荷分量；
[0008]S2、
将板件沿厚度方向分为上薄膜层
、
中面层和下薄膜层，构建板件在极限状态下的层间受力平衡方程；
[0009]S3、
上薄膜层和下薄膜层统称为薄膜层，定义薄膜层在极限状态下的破坏模式以及薄膜层在极限状态下的受力平衡方程；结合板件的层间受力平衡方程和薄膜层的受力平衡方程构建各破坏模式下极限承载力的计算公式；破坏模式包括少筋破坏模式
、
适筋破坏模式和超筋破坏模式；
[0010]S4、
假定薄膜层处于适筋破坏模式，计算适筋破坏模式下薄膜层的极限承载力
τ
xyu
和主拉应力
f
1u
；判断是否满足
f
1u
>f
cr
，
f
cr
为混凝土抗拉强度标准值；否，则计算少筋破坏模式下的极限承载力
τ
'
xyu
作为真实破坏承载力
τ
xyu,act
，然后执行步骤
S6
；是，则执行步骤
S5
；
[0011]S5、
获取薄膜层混凝土在二维平面应力状态下发生斜向压溃所对应的主压强度
f
c2,max
，计算适筋破坏模式下薄膜层的混凝土主压应力
f
c2,u
；判断
f
c2,u
≤f
c2,max
是否成立；是，则计算适筋破坏模式下的极限承载力
τ
xyu
作为真实破坏承载力
τ
xyu,act
，然后执行步骤
S6
；否，则计算超筋破坏模式下的极限承载力
τ
″
xyu
作为真实破坏承载力
τ
xyu,act
，然后执行步骤
S6
；
[0012]S6、
判断上薄膜层和下薄膜层中是否有至少一个满足
τ
xy
≥
τ
xyu,act
，
τ
xy
为薄膜层的水平剪应力；是，则表示荷载
F
即为箱形截面桥梁的统一承载力预测值；否，则将荷载
F
更新为较大值，根据荷载更新前后的比例关系，调整板件承载的载荷分量，然后返回步骤
S2。
[0013]优选的，
S1
中，板件承载的载荷分量包括：沿
x
方向的轴力
n
x
、
沿
y
方向的轴力
n
y
、
沿
x
方向的弯矩
m
x
、
沿
y
方向的弯矩
m
y
、
与
x
方向垂直的平面内沿
y
方向的扭矩
m
xy
、
与
y
方向垂直的平面内沿
x
方向的扭矩
m
yx
、
与
x
方向垂直的平面内沿
z
方向的竖向剪力
v
xz
、
与
y
方向垂直的平面内沿
z
方向的竖向剪力
v
yz
、
与
x
方向垂直的平面内沿
y
方向的水平剪力
v
xy
以及与
y
方向垂直的平面内沿
x
方向的水平剪力
v
yx
；
x
方向为桥梁纵桥向；
y
方向为桥梁横桥向
。
[0014]优选的，薄膜层在各破坏模式下的极限承载力的计算公式如下：
[0015]适筋破坏模式下，当薄膜层的水平剪应力
τ
xy
正向传播时：
[0016][0017]适筋破坏模式下，当薄膜层的水平剪应力负向传播时：
[0018][0019]令
σ
x
为薄膜层沿
x
方向的正应力，
σ
y
为薄膜层沿
y
方向的正应力；
k
x
为薄膜层所受正应力
σ
x
与水平剪应力
τ
xy
间的作用比例，<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于板件离散的箱形截面桥梁统一承载力预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、
设置箱形截面桥梁的荷载
F
，将箱形截面桥梁的截面离散为多个板件，建立荷载状态下箱形截面桥梁离散为板件的有限元模型，计算各板件承载的载荷分量；
S2、
将板件沿厚度方向分为上薄膜层
(4)、
中面层
(5)
和下薄膜层
(6)
，构建板件在极限状态下的层间受力平衡方程；
S3、
上薄膜层
(4)
和下薄膜层
(6)
统称为薄膜层，定义薄膜层在极限状态下的破坏模式以及薄膜层在极限状态下的受力平衡方程；结合板件的层间受力平衡方程和薄膜层的受力平衡方程构建各破坏模式下极限承载力的计算公式；破坏模式包括少筋破坏模式
、
适筋破坏模式和超筋破坏模式；
S4、
假定薄膜层处于适筋破坏模式，计算适筋破坏模式下薄膜层的极限承载力
τ
xyu
和主拉应力
f
1u
；判断是否满足
f
1u
＞
f
cr
，
f
cr
为混凝土抗拉强度标准值；否，则计算少筋破坏模式下的极限承载力
τ
′
xyu
作为真实破坏承载力
τ
xyu
，
act
，然后执行步骤
S6
；是，则执行步骤
S5
；
S5、
获取薄膜层混凝土在二维平面应力状态下发生斜向压溃所对应的主压强度
f
c2
，
max
，计算适筋破坏模式下薄膜层的混凝土主压应力
f
c2
，
u
；判断
f
c2
，
u
≤f
c2
，
max
是否成立；是，则计算适筋破坏模式下的极限承载力
τ
xyu
作为真实破坏承载力
τ
xyu
，
act
，然后执行步骤
S6
；否，则计算超筋破坏模式下的极限承载力
τ
″
xyu
作为真实破坏承载力
τ
xyu
，
act
，然后执行步骤
S6
；
S6、
判断上薄膜层
(4)
和下薄膜层
(6)
中是否有至少一个满足
τ
xy
≥
τ
xyu
，
act
，
τ
xy
为薄膜层的水平剪应力；是，则表示荷载
F
即为箱形截面桥梁的统一承载力预测值；否，则将荷载
F
更新为较大值，根据荷载更新前后的比例关系，调整板件承载的载荷分量，然后返回步骤
S2。2.
如权利要求1所述的基于板件离散的箱形截面桥梁统一承载力预测方法，其特征在于，
S1
中，板件承载的载荷分量包括：沿
x
方向的轴力
n
x
、
沿
y
方向的轴力
n
y
、
沿
x
方向的弯矩
m
x
、
沿
y
方向的弯矩
m
y
、
与
x
方向垂直的平面内沿
y
方向的扭矩
m
xy
、
与
y
方向垂直的平面内沿
x
方向的扭矩
m
yx
、
与
x
方向垂直的平面内沿
z
方向的竖向剪力
v
xz
、
与
y
方向垂直的平面内沿
z
方向的竖向剪力
v
yz
、
与
x
方向垂直的平面内沿
y
方向的水平剪力
v
xy
以及与
y
方向垂直的平面内沿
x
方向的水平剪力
v
yx
；
x
方向为桥梁纵桥向；
y
方向为桥梁横桥向
。3.
如权利要求1所述的基于板件离散的箱形截面桥梁统一承载力预测方法，其特征在于，薄膜层在各破坏模式下的极限承载力的计算公式如下：适筋破坏模式下，当薄膜层的水平剪应力
τ
xy
正向传播时：适筋破坏模式下，当薄膜层的水平剪应力负向传播时：令
σ
x
为薄膜层沿
x
方向的正应力，
σ
y
为薄膜层沿
y
方向的正应力；
k
x
为薄膜层所受正应力
σ
x
与水平剪应力
τ
xy
间的作用比例，
σ
x
＝
k
x
τ
xy
；
k
y
为薄膜层所受正应力
σ
y
与水平剪应力
τ
xy
间的作用比例，
σ
y
＝
k
y
τ
xy
；
ρ
x
为薄膜层内沿
x
方向的钢筋配筋率，
ρ
y
为薄膜层内沿
y
方向的钢筋配
筋率；
f
xd
为薄膜层内沿
x
方向钢筋的屈服强度，
f
yd
为薄膜层内沿
y
方向钢筋的屈服强度；少筋破坏模式下薄膜层的极限承载力
τ
′
xyu
的计算公式为其中，
f
′
c
为混凝土轴心抗压强度标准值；超筋破坏模式下薄膜层的极限承载力
τ
″
xyu
联立以下公式求解：
∑F
x
＝0，
ρ
x
f
sxr
cos
θ
＝
k
x
τ
″
xyu
cos
θ
+
τ
″
xyu
sin
θ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(20)∑F
y
＝0，
ρ
y
f
syr
sin
θ
＝
k
y
τ
″
xyu
sin
θ
+
τ
″
xyu
...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴志刚，窦巍，王胜斌，徐栋，唐国喜，邱体军，贾勤龙，窦冉，张浩，方正东，毛攀，
申请(专利权)人：安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，
类型：发明
国别省市：