一种跨断层梁式桥防落梁限位拉索的抗震设计方法及系统 |
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申请号 | CN202410363916.7 | 申请日 | 2024-03-28 | 公开(公告)号 | CN118036160A | 公开(公告)日 | 2024-05-14 |
申请人 | 东南大学; | 发明人 | 张凡; 王景全; 傅宇光; 曾永平; 李帅; 董俊; | ||||
摘要 | 本 发明 公开了一种跨 断层 梁式桥防落梁限位拉索的抗震设计方法及系统,涉及 桥梁 减 隔震 设计领域,公开了两个适用于跨断层梁式桥防落梁限位拉索的 刚度 计算公式,并在此 基础 上提出了防落梁限位拉索的抗震设计方法。通过本发明提出的方法设计,将墩梁相对位移限制在允许位移之内,防止跨断层梁式桥发生落梁或支座破坏。本发明设计结果抗震性能良好,满足桥梁在 地震 动动 力 作用和断层断裂产生的永久位移双重作用下防落梁的位移要求,有利于提高桥梁在强震下的安全性,可供工程使用。 | ||||||
权利要求 | 1.一种跨断层梁式桥防落梁限位拉索的抗震设计方法,其特征在于,包括如下步骤: |
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说明书全文 | 一种跨断层梁式桥防落梁限位拉索的抗震设计方法及系统技术领域背景技术[0002] 通常,在进行桥梁抗震设计时,会避免桥梁跨越活动断层。然而,由于经济发展需要和国家战略需求,存在一定数量的跨断层桥梁。与常规桥梁相比,跨断层桥梁在地震作用下的动力响应更复杂、地震损伤更严重、防灾减灾更困难。常规桥梁在进行抗震设计时,仅需考虑地震动的动力作用,而跨断层桥梁抗震设计需要考虑地震动动力作用和断层断裂产生的永久位移双重作用。 [0003] 历次地震灾害表明,在断层断裂产生的永久位移作用下,跨断层桥梁的震害往往表现为墩梁大位移引起的落梁,需通过合理的限位抗震设计减小墩梁大位移,其中一种解决方案是通过设计限位拉索的刚度,使得墩梁相对位移被限定在预期的范围。然而,由于跨断层桥梁在地震作用下的复杂性,当前尚无跨断层桥梁限位拉索的设计方法,导致跨断层桥梁减隔震设计无据可依。 [0004] 因此,为解决上述问题,本发明提出了一种跨断层梁式桥防落梁限位拉索的刚度计算公式和抗震设计方法及系统,可便捷、高效、准确的计算出所需的限位拉索设计刚度。 发明内容[0005] 发明目的:针对现有跨断层梁式桥防落梁限位拉索设计无拉索刚度计算方法的难题,本发明提供了一种跨断层梁式桥防落梁限位拉索的刚度计算公式和抗震设计方法及系统,主要目的在于,根据跨断层梁式桥的等效桥墩刚度、等效支座刚度、允许墩梁位移、地震响应需求和永久地面位移,计算得出限位拉索设计刚度,在该刚度之下,能够将跨断层梁式在地震作用下墩梁相对位移限定到允许墩梁位移之内。 [0006] 本发明采用的技术方案:一种跨断层梁式桥防落梁限位拉索的抗震设计方法,包括如下步骤: [0007] S1、确定跨断层梁式桥防落梁限位拉索的刚度计算方法,该计算方法按公式一或公式二进行计算; [0008] 公式一为: [0009] [0010] 其中,Kr为跨断层梁式桥防落梁限位拉索的设计刚度,Kpeff为等效桥墩刚度,Kbeff为等效支 座刚度,Δ a为允许 墩梁位移,Δ eq0 为初始地 震响应需求 ,为1层4神经4输入变量的人工神经网络展开数学公式,其中i表示第i个人工神经网络的神经,j表示第j个输入变量,变量x1为桥墩的屈服刚度Kpy,变量x2为跨断层地震动的永久地面位移Δrup,变量x3为允许墩梁位移Δa,变量x4为初始地震响应需求Δeq0,w1i,j表示第i个神经处第j个输入变量的权重系数,w2i为第i个神经总体的权重系数,b1i为第i个神经总体的偏置,b2为人工神经网络的总体偏执系数。对于公式一,所有权重系数和偏执系数的取值见下表: [0011] [0012] 公式二为: [0013] [0014] 其中,所有的变量解释同公式一,对于公式二,所有权重和偏执系数的取值见下表: [0015] [0016] 上述公式一和公式二中均包含 根据跨断层桥梁的特点和专家设计经验直接得到,也可以认为是常规桥梁限位拉索设计刚度的计算公式。 [0017] S2、计算等效桥墩刚度 μ为桥墩的位移延性,μ等于桥墩最大变形和屈服变形的比值,桥墩屈服刚度Kpy是预设值。 [0018] S3、计算等效支座刚度Kb,eff。对于板式橡胶支座、铅芯橡胶支座等可用双折线模型表示力学性能的支座,等效支座刚度 Kb1和Kb2分别为双折现模型的屈服前刚度和屈服后刚度,Δb1为屈服位移。 [0019] S4、计算允许墩梁位移Δa=min{γ Δbt,aΔsupport};其中,允许墩梁位移Δa为允许支座位移γ Δbt和a与被主梁支撑长度Δsupport乘积的最小值,γ为支座的允许剪切应变,γΔbt为支座橡胶层厚度;a为安全系数,取0.8,也可根据具体设计安全度取小于1的其他数值。 [0020] S5、初始地震响应需求Δeq0可以通过跨断层桥梁有限元计算得到,但这种方法需要进行有限元建模,不易直接获取。初始地震响应需求Δeq0还可通过简化计算方法计算,Δeq0=Δeq0,d+Δeq0,s,其中Δeq0,d为地震动动力作用下的初始地震响应需求动力分量,Δeq0,s为永久位移作用下的初始地震响应需求拟静力分量。 [0021] 对于上述简化计算方法,初始地震响应需求动力分量Δeq0,d通过线性反应谱分析方法计算,初始地震响应需求拟静力分量Δeq0,s可通过下式计算: [0022] 对于跨断层侧: [0023] 对于非跨断层侧: [0024] 其中Kbeff,N为非跨断层侧的支座等效刚度,Kbeff,F为跨断层侧的支座等效刚度,跨断层地震动的永久地面位移Δrup为设计预设值。 [0025] S5、上述参数确定完毕后,将这些参数带入公式一或者公式二,就可以计算出跨断层梁式 桥防落 梁限位拉 索的设 计刚度 Kr。公式一 和公式二 中包含 的项中的所有权重和偏执系数,是通过34337组设计参数训练出的高精度人工神经网络模型数学展开得到的。 [0026] 本发明另一方面,还提供一种跨断层梁式桥防落梁限位拉索的抗震设计系统,能实现上述的抗震设计方法,所述抗震设计系统包括: [0027] 刚度计算方法确定模块,用于确定跨断层梁式桥防落梁限位拉索刚度的计算方法,该计算方法按公式一或公式二中进行计算; [0028] 等效桥墩刚度计算模块,用于计算等效桥墩刚度 [0029] 等效支座刚度计算模块,用于计算计算等效支座刚度Kb,eff; [0030] 允许墩梁位移计算模块,用于计算允许墩梁位移Δa; [0031] 初始地震响应需求计算模块,用于按公式Δeq0=Δeq0,d+Δeq0,s计算初始地震响应需求Δeq0; [0032] 跨断层梁式桥防落梁限位拉索的设计刚度计算模块,用于将各参数代入公式一或者公式二,计算出跨断层梁式桥防落梁限位拉索的设计刚度Kr。 [0033] 有益效果: [0034] (1)本发明提出了一种可快速准确计算跨断层梁式桥防落梁限位拉索设计刚度的计算公式,解决了采用常规桥梁的限位拉索设计公式计算不准确的难题。采用本发明所提公式计算得到的限位拉索设计刚度,可以有效控制跨断层梁式桥在地震动动力作用和断层断裂产生的永久位移双重作用下的墩梁相对位移,满足桥梁防落梁的位移要求,有利于提高跨断层桥梁在强震下的安全性。 [0035] (2)本发明提出了一套方便设计人员操作的跨断层梁式桥防落梁限位拉索抗震设计方法,克服了采用传统迭代设计方法难以操作,耗时长的问题,且保证了设计的准确性达到94%。 [0036] (3)本发明提出的跨断层梁式桥防落梁限位拉索的刚度计算公式和抗震设计方法,不仅可以防止跨断层梁式桥发生落梁,还可以通过限制支座的位移,防止支座发生破坏,极大减轻了跨断层桥梁在地震作用下的倒塌破坏风险。附图说明 [0037] 图1是本发明提出的跨断层梁式桥防落梁限位拉索抗震设计方法流程图; [0038] 图2是本发明实施例跨断层梁式桥的示意图; [0039] 图3是本发明实施例的效果对比图。 [0040] 图中:11‑跨断层侧限位拉索;12非跨断层侧限位拉索;2‑桥墩;31‑跨断层侧支座;32非跨断层侧支座;41‑跨断层侧主梁;42‑非跨断层侧主梁;5‑断层。 具体实施方式[0041] 为了使本发明的目的,技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步的详细说明。 [0042] 本发明提供了跨断层梁式桥防落梁限位拉索抗震设计方法,如图1所示,包括如下步骤: [0043] S1、确定跨断层梁式桥桥墩和支座等的初始设计参数,包括:桥墩位移延性μ、桥墩屈服刚度Kpy、主梁支撑长度Δsupport、支座允许剪切应变γ、防落梁安全系数、双折现模型的屈服前刚度Kb1和屈服后刚度Kb2、支座的屈服位移Δb1、支座橡胶层厚度Δbt、跨断层地震动的永久地面位移Δrup。其中,防落梁安全系数的建议值为0.8,也可根据设计需要取小于1的其他值。 [0044] S2、计算允许墩梁位移Δa=min{γ Δbt,0.8Δsupport}。计算等效桥墩刚度计算等效支座刚度 其中桥梁跨断层侧和非跨断层侧的等效支座刚度可能存在差异,需要分别计算,记为Kbeff,F和Kbeff,N。 [0046] 初始地震响应需求拟静力分量Δeq0,s可通过下式计算: [0047] 对于跨断层侧: [0048] 对于非跨断层侧: [0049] 通过比较Δeq0和Δa确定是否需要进行防落梁限位拉索设计,若Δeq0>Δa,则需要限位拉索设计,若Δeq0<Δa,则不需要限位拉索设计。 [0050] S4、将上述参数数值代入公式一或者公式二可直接计算出跨断层梁式桥跨断层侧和非跨断层测所需的限位拉索设计刚度,记为Kr,F和Kr,N。 [0051] 以下为具体实施例: [0052] 以一跨梁式桥为例,如图2所示,跨断层梁式桥包括跨断层侧限位拉索11、非跨断层侧限位拉索12、桥墩2、跨断层侧支座31、非跨断层侧支座32、跨断层侧主梁41、非跨断层侧主梁42和断层5。设计方法包括如下步骤: [0053] S1、确定跨断层梁式桥桥墩和支座的初始设计参数,桥墩位移延性μ=1、桥墩屈服刚度Kpy=23.67kN/mm、主梁支撑长度Δsupport=500mm、支座允许剪切应变γ=2、防落梁安全系数取0.8、双折现模型的屈服前刚度Kb1=15.4kN/mm和屈服后刚度Kb2=2.4kN/mm、支座的屈服位移Δb1=143mm、支座橡胶层厚度Δbt=6.4mm、跨断层地震动的永久地面位移Δrup=544mm。 [0054] S2、计算允许墩梁位移Δa=min{2×143,0.8×500}=286mm。计算等效桥墩刚度计算等效支座刚度 本具体实施例中桥梁跨断层侧和非跨断层侧的等效支座刚度相同,Kbeff,F=Kbeff,N=5.8kN/mm。 [0055] S3、计算初始地震响应需求Δeq0=Δeq0,d+Δeq0,s,其中,初始地震响应需求动力分量Δ eq0,d通过将桥梁简化成两自由度体系,通过线性反应谱分析方法得到,[0056] 初始地震响应需求拟静力分量Δeq0,s可通过下式计算: [0057] 对于跨断层侧: [0059] S4、将上述参数数值代入公式一,可得Kr,F=26.8kN/mm;将上述参数数值代入公式二,可得Kr,F=27.5kN/mm;将上述部分参数带入传统公式通过迭代方法和有限元验证的限位拉索有效数值为Kr,F=26.4kN/ mm。 [0060] 图3对比了采用公式一、公式二、传统公式和迭代方法设计的限位拉索后,具体实施例桥梁动力有限元分析结果。可见,公式一和公式二计算的限位拉索刚度接近于迭代方法,可以将墩梁相对位移限制在允许位移之内,而传统公式低估了跨断层梁式桥的限位拉索刚度,使得墩梁相对位移超过允许位移,导致桥梁发生严重破坏。 [0061] 通过该实施例,表明本发明的设计方法可计算出正确的防落梁限位拉索刚度,将跨断层梁式桥的墩梁相对位移限制在允许位移之内。该方法的设计结果抗震性能良好,满足桥梁在地震动动力作用和断层断裂产生的永久位移双重作用下防落梁的位移要求,有利于提高桥梁在强震下的安全性,可供工程使用。 |