[发明专利]一种基于强度与延性的钢管混凝土拱桥抗震能力评估方法

权利要求书

1.一种基于强度与延性的钢管混凝土拱桥抗震能力评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、用有限元法建立钢管混凝土拱桥模型；

S2、对拱桥进行结构分析，分别计算出重力代表值作用下和小震作用下各杆件的内力；所述重力代表值包括结构和各级恒载和车道荷载标准值组合；所述小震为六度地震；地震加速度峰值为0.05g；

S3、分析拱桥各部分的破坏模式及延性比，所述各部分的破坏模式包括拱肋弦杆破坏、拱肋腹杆破坏、吊杆破坏、吊杆横梁破坏和桥面纵梁破坏；

S4、根据步骤S3分析的破坏形式计算各部分的屈服地面加速度系数以及各部件的延性容量；

S5、根据步骤S3分析的延性比计算得结构地震作用折减系数Fg；

S6、通过各部分构件的破坏模式延性比，通过加权平均方法求出各部分的抗震能力Ac；

S7、根据各部分的抗震能力Ac计算出整体抗震能力Ac、和拱桥地震作用折减系数，将地震作用折减系数乘以屈服地面运动加速度，求解出整桥的抗震能力；

在步骤S3中，所述拱肋弦杆破坏包括弯曲和拉压破坏，所述拱肋腹杆破坏包括腹杆轴力破坏，所述吊杆破坏包括拉伸破坏，所述吊杆横梁破坏包括弯曲破坏，所述桥面纵梁破坏包括弯曲破坏；

在步骤S4中，所述延性容量指部件的各构件达到破坏时，构件的延性容量的加权平均值，结构的允许延性容量Ra与延性容量R的关系为分别计算拱肋弦杆、拱肋腹杆、拱肋横向联系、吊杆、吊杆横梁、桥面纵梁的允许延性容量；

在步骤S1中，首先利用大型通用有限元软件ANSYS，根据钢管混凝土拱桥设计或竣工图纸建立有限元模型，采用ANSYS软件的空间梁单元Beam188或Beam189模拟钢管混凝土拱肋弦杆、腹杆、横向联系、吊杆横梁和桥面纵梁，用Shell63模拟桥面系统、用Link10模拟吊杆，在拱脚处施加各弦杆的固定约束；

在步骤S2中，结合各部分杆件的强度和延性特征，采用有限元法对钢管混凝土拱桥进行弹性地震反应分析和重力代表值作用下的分析，获取各杆件的内力，分别计算出各杆件的抗震能力，得到各部分的抗震能力，最后合成钢管混凝土拱桥抵抗地面运动的最大加速度A_c；

在步骤S3中，通过各部分构件的破坏模式求出其极限承载能力及其延性比，通过加权平均方法求出各部分的抗震能力，再通过各部分的权重值综合求出整体抗震能力，并求出地震作用折减系数F_u，将地震作用折减系数乘以屈服地面运动加速度，求解出整桥的抗震能力；

在步骤S4中，计算各部分的屈服地面加速度系数，包括：

A、拱肋弦杆加速度系数：

钢管混凝土拱肋弦杆构件的抵抗地震作用能力为加速度，构件的加速度系数根据其破坏形式决定，弦管主要承受轴力和弯矩，所以其屈服地面运动加速度系数为和分别为弦管第k构件i、j两杆端系数；

根据步骤S3介绍的拱肋弦杆的破坏模式及强度曲线把钢管混凝土轴力和弯矩与强度承载力之间的关系，引入一个系数λ，系数的计算为：

(1)N/N_u0≥2η₀时，

(2)N/N_u0＜2η₀时，

由于弦杆是圆形的，两个方向的弯矩合成为最不利弯矩，所以式(55)和(56)的

$a_{xgk}^i=\frac{{\mathrm{\λ}}_{uk}^i-{\mathrm{\λ}}_{DLk}^i}{{\mathrm{\λ}}_{CEk}^i}---\left(57\right)$

$a_{xgk}^j=\frac{{\mathrm{\λ}}_{uk}^j-{\mathrm{\λ}}_{DLk}^j}{{\mathrm{\λ}}_{CEk}^j}---\left(58\right)$

$a_{xg}=Min\left(a_{xgk}\right)=Min\left(\frac{a_{xgk}^i+a_{xgk}^j}{2}\right)---\left(59\right)$

式中，a_xg—弦管屈服地面运动加速度系数；

—弦管单元两节点极限轴力和弯矩组合的系数；

—重力荷载代表值作用下，两节点的轴力和弯矩代入式(55)或(56)的系数值；

—小震作用下两节点的轴力和弯矩代入式(55)或(56)的系数值；

B、拱肋腹杆加速度系数：

钢管混凝土拱桥拱肋腹杆屈服地面运动加速度系数为a_fgk，其中，a_fgk为第k根腹杆的加速度系数；

$a_{fgk}=\frac{N_{uk}^{fg}-N_{DLk}^{fg}}{N_{CELk}^{fg}}---\left(60\right)$

$a_{fg}=\frac{\underset{k=1}{\overset{n}{\Σ}}{a}_{fgk}}{n}---\left(61\right)$

式中，a_fg—屈服地面运动加速度系数；

—腹杆单元极限轴力；

—重力荷载代表值作用下的轴力；

—小震作用下吊杆的轴力；

C、拱肋横向联系加速度系数：

钢管混凝土拱桥拱肋横向联系屈服地面运动加速度为系数为和其中，和分别为横向联系的第k构件i、j两杆端系数；

$a_{hxk}^i=\frac{M_{uk}^i-M_{DLk}^i}{M_{CEk}^i}---\left(62\right)$

$a_{hxk}^j=\frac{M_{uk}^j-M_{DLk}^j}{M_{CEk}^j}---\left(63\right)$

$a_{hx}=\frac{\underset{k=1}{\overset{n}{\Σ}}{a}_{hxk}}{n}=\frac{\underset{k=1}{\overset{n}{\Σ}}\frac{a_{hxk}^i+a_{hxk}^j}{2}}{n}---\left(64\right)$

式中，a_hx—吊杆横梁屈服地面运动加速度系数；

—吊杆横梁单元两节点极限弯矩；

—重力荷载代表值作用下，两节点的弯矩；

—小震作用下两节点弯矩；

D、吊杆加速度系数：

钢管混凝土拱桥各吊杆的屈服地面运动加速度系数为a_dgk，其中，a_dgk为第k根吊杆加速度系数；

$a_{dgk}=\frac{N_{uk}^{dg}-N_{DLk}^{dg}}{N_{CELk}^{dg}}---\left(65\right)$

$a_{dg}=\frac{\underset{k=1}{\overset{n}{\Σ}}{a}_{dgk}}{n}---\left(66\right)$

式中，a_dg—吊杆屈服地面运动加速度系数；

—吊杆单元极限轴力；

—重力荷载代表值作用下的轴力；

—小震作用下吊杆的轴力；

E、吊杆横梁和桥面纵梁加速度系数：

钢管混凝土拱桥吊杆横梁屈服地面运动加速度系数为和其中，和分别为吊杆横梁第k构件i、j两杆端系数；桥面纵梁屈服地面运动加速度系数为和其中，和分别为桥面纵梁第k构件i、j两杆端系数；

$a_{hlk}^i=\frac{M_{uk}^i-M_{DLk}^i}{M_{CEk}^i}---\left(67\right)$

$a_{hlk}^j=\frac{M_{uk}^j-M_{DLk}^j}{M_{CEk}^j}---\left(68\right)$

$a_{hl}=\frac{\underset{k=1}{\overset{n}{\Σ}}{a}_{hlk}}{n}=\frac{\underset{k=1}{\overset{n}{\Σ}}\frac{a_{hlk}^i+a_{hlk}^j}{2}}{n}---\left(69\right)$

式中，a_hl—吊杆横梁屈服地面运动加速度系数；

—吊杆横梁单元两节点极限弯矩；

—重力荷载代表值作用下，两节点的弯矩；

—小震作用下两节点弯矩；

同理求出纵梁加速度系数和a_zl；

在在步骤S5中，折减系数F_u，按下式求出：

$F_u=\left\{\begin{array}{cc}{R}_a;& T\≥10\\ \sqrt{2R_a-1}+(R_a-\sqrt{2R_a-1})\×\frac{T-T_g}{10-T_g};& T_g\≤T\≤10\\ \sqrt{2R_a-1};& 0.1\≤T\≤T_g\\ \sqrt{2R_a-1}+(\sqrt{2R_a-1}-1)\×\frac{T}{0.1};& T\≤0.1\end{array}\right.$

式中，T_g—特征周期(单位：s)，T—结构的自振周期(单位：s)；

在在步骤S6中，计算出各部分构件的延性容量后，根据工程所在地区的地震参数和自振周期求得结构地震力折减系数F_u，结合各部分的地震力系数a计算出各部分的地面屈服抗震能力A_c；

弦杆：A_cxg＝A_yxg×F_uxg＝0.05g×a_xg×F_uxg(83)

腹杆：A_cfg＝A_yfg×F_ufg＝0.05g×a_fg×F_ufg(84)

横向联系：A_chx＝A_yhx×F_uhx＝0.05g×a_hx×F_uhx(85)

吊杆：A_cdg＝A_ydg×F_udg＝0.05g×a_dg×F_udg(86)

吊杆横梁：A_chl＝A_yhl×F_uhl＝0.05g×a_hl×F_uhl(87)

桥面纵梁：A_czl＝A_yzl×F_uzl＝0.05g×a_zl×F_uzl(88)

桥梁整体抗震能力取各部分最小的抗震能力及各部分地面屈服运动加速度A_c。