无粘结预应力钢筋混凝土桥墩解析韧性设计的方法与流程

本发明涉及桥墩抗震，具体是无粘结预应力钢筋混凝土桥墩解析韧性设计的方法。

背景技术：

1、桥梁在交通网络中发挥着十分重要的作用，在地震发生后一旦桥梁受到破坏无法正常使用，可能会使交通瘫痪，影响灾后的救援与重建工作。在地震发生之后，桥梁可能倒塌，也有可能并未倒塌但是出现了较大的残余位移而丧失其正常使用的功能。

2、基于韧性的抗震要求结构在震后能够快速恢复到一定的功能水平，这就要求结构具有较小的地震需求和较小的残余位移。无粘结预应力钢筋混凝土(unbondedprestressed reinforced concrete,ubprc)桥墩作为一种自定心构件，具有较小的残余位移，在抗震设计中逐渐受到广泛关注。对ubprc桥墩进行韧性设计，使得桥梁能够避免由于过大的残余位移而丧失其正常使用功能，满足韧性抗震需求，因此亟待解决，但对ubprc桥墩的韧性设计仍需要一种快速的定量计算方法，因此亟待解决。

技术实现思路

1、为了避免和克服现有技术中存在的技术问题，本发明提供了无粘结预应力钢筋混凝土桥墩解析韧性设计的方法。本发明能够较为准确的计算桥墩的结构和材料参数，进而提高桥墩的抗震性能。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、无粘结预应力钢筋混凝土桥墩解析韧性设计的方法，包括以下设计步骤：

4、s1、确定无粘结预应力钢筋混凝土桥墩的设计参数，并获取桥墩的能力；

5、s2、依据设计参数获取桥墩的漂移比和残余漂移比，并定义桥墩损伤状态；

6、s3、构建通过桥墩的能力、漂移比和残余漂移比之间的关系表征桥墩韧性设计的一致损伤模型；

7、s4、将桥墩的设计参数输入到一致损伤模型中，以对桥墩的韧性设计进行解析，并根据解析结果调整桥墩的结构和材料参数。

8、作为本发明再进一步的方案：确定桥墩各个设计参数的数值，设计参数包括桥墩的高度、长细比、轴压比、纵向钢筋配筋率、箍筋配筋率、混凝土的抗压强度、纵向钢筋的屈服强度、预应力钢筋配筋率，以及桥墩的预应力度；

9、桥墩的损伤状态包括两种，分别为漂移比损伤状态和残余漂移比损伤状态；

10、以漂移比作为桥墩工程需求参数时桥墩的损伤状态称为漂移比损伤状态，且漂移比损伤状态与以漂移比作为桥墩工程需求参数时桥墩的能力彼此对应，该能力称为漂移比能力；

11、以残余漂移比作为桥墩工程需求参数时桥墩的损伤状态称为残余漂移比损伤状态，且残余漂移比损伤状态与以残余漂移比作为桥墩工程需求参数时桥墩的能力彼此对应，该能力称为残余漂移比能力；

12、桥墩的漂移比能力计算公式如下：

13、

14、xt＝[1ln(ar) ln(αc) ln(ρl) ln(ρs) ln(fc) ln(fy) ln(ρp) ln(αpa)]

15、其中，δi表示桥墩在第i种漂移比损伤状态下的能力值，即第i种漂移比能力；x表示桥墩的各个设计参数组成的参数矩阵；t表示矩阵转置；表示桥墩处于第i种漂移比损伤状态时，由与桥墩的设计参数彼此对应的各个待定系数组成的系数矩阵；

16、ln表示对数函数；ar表示桥墩的长细比；αc表示桥墩的轴压比；ρl表示桥墩的纵向钢筋配筋率；ρs表示桥墩的箍筋配筋率；fc表示桥墩混凝土的抗压强度；fy表示桥墩纵向钢筋的屈服强度；ρp表示桥墩预应力钢筋配筋率；αps表示桥墩的预应力度。

17、作为本发明再进一步的方案：获取桥墩的漂移比和残余漂移比的具体步骤如下：

18、s2a1、使用opensees有限元分析软件中的非线性梁柱单元模拟桥墩的主体，非线性梁柱单元取6倍塑性铰长度；

19、s2a2、使用opensees有限元分析软件中的桁架单元模拟桥墩中的无粘结预应力钢筋，桁架单元连接主体的底部和顶部节点；

20、s2a3、使用opensees有限元分析软件中的零长单元模拟桥墩中钢筋的粘结滑移，进而构成桥墩的有限元模型，在桥墩的有限元模型中桥墩轴线处为预应力钢筋，在预应力钢筋的外侧包覆有核心混凝土，在核心混凝土的外侧围设有纵向钢筋，在纵向钢筋的外侧包覆有保护层混凝土；

21、s2a4、将桥墩各个设计参数的数值输入到有限元模型中，模拟仿真得到桥墩对应的漂移比；

22、s2a5、将得到的漂移比和该漂移比下桥墩对应的设计参数输入到残余漂移比的预测公式中计算残余漂移比；预测公式具体如下：

23、

24、其中，为4×1的矩阵，表示桥墩在的四种残余漂移比损伤状态下对应的残余漂移比；y为四行一列的矩阵，表示桥墩在的四种漂移比损伤状态下对应的漂移比；x表示由桥墩的九种设计参数构成的参数矩阵；b表示由与桥墩九种设计参数彼此对应的系数构成的系数矩阵。

25、作为本发明再进一步的方案：漂移比损伤状态定义过程如下：

26、s2b1、当保护层混凝土的应变达到其最大应变时，桥墩出现损伤，定义该损伤为轻微损伤，对应第一种漂移比能力；

27、s2b2、当纵向钢筋的屈服强度达到其屈服极限时，桥墩出现损伤，定义该损伤为中等损伤，对应第二种漂移比能力；

28、s2b3、当核心混凝土的应力达到最大应力时，桥墩出现损伤，定义该损伤为严重损伤，对应第三种漂移比能力；

29、s2b4、当核心混凝土的应变达到最大应变时，桥墩出现损伤，定义该损伤为完全损伤，对应第四种漂移比能力；

30、作为本发明再进一步的方案：残余漂移比损伤状态定义过程如下：

31、s2c1、当残余漂移比的取值在[0,0.25％)时，桥墩无损伤；

32、s2c2、当残余漂移比的取值在[0.25％,0.5％)时，桥墩出现损伤，桥定义该损伤为轻微损伤，对应第一种残余漂移比能力；

33、s2c3、当残余漂移比的取值在[0.5％,0.75％)时，桥墩出现损伤，定义该损伤为中等损伤，对应第二种残余漂移比能力；

34、s2c4、当残余漂移比的取值在[0.75％,1％)时，桥墩出现损伤，定义该损伤为严重损伤，对应第三种残余漂移比能力；

35、s2c5、当残余漂移比的取值在[1％,+∞]时，桥墩出现损伤，定义该损伤为完全损伤，对应第四种残余漂移比能力。

36、作为本发明再进一步的方案：建立一致损伤模型的具体内容如下：以漂移比和残余漂移比同时作为桥墩工程需求参数，并且将桥墩在漂移比损伤状态下和残余漂移比损伤状态下同时达到完全损伤的概率记为设定阈值，此时桥墩的损伤状态称为一致损伤状态；接着根据一致损伤状态构建韧性设计解析模型；

37、韧性设计解析模型的解析公式表示如下：

38、

39、其中，ω(x)为一致损伤状态值；β0、β1、…、β8表示桥墩处于残余漂移比损伤状态时各个设计参数对应的回归系数；γi0、γi1、…、γi8表示桥墩处于第i种漂移比损伤状态时各个设计参数对应的待定系数；表示桥墩在第i种残余漂移比损伤状态下的能力值，即第i种残余漂移比能力。

40、作为本发明再进一步的方案：确定各个回归系数和待定参数的数值，将桥墩的各个设计参数的数值输入到韧性设计解析模型中计算；计算结果如下：

41、当ω(x)＝0，表示以漂移比和残余漂移比同时作为桥墩工程需求参数的桥梁处于一致损伤状态；

42、当ω(x)＞0，表示漂移比损伤状态先达到设定阈值，此时的桥墩属于韧性设计，且韧性设计为目标设计方式；

43、当ω(x)＜0，表示残余漂移比损伤状态先达到设定阈值，此时的桥墩属于非韧性设计；

44、根据计算结果调整桥墩各个设计参数，以使桥墩的设计方式为韧性设计。

45、作为本发明再进一步的方案：所述设定阈值为50％。

46、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

47、1、本发明以漂移比和残余漂移比作为工程需求参数定义了结构的损伤状态。根据ubprc桥墩的能力公式以及残余漂移比的预测公式推导出了韧性设计的解析公式。根据此解析公式可以计算出两种工程需求参数下，结构同时达到50％损伤概率时各参数的取值。同时，计算了韧性设计时各参数的取值范围。所提出的韧性设计方法能够方便的计算韧性设计时各结构和材料参数的取值，可以应用于无粘结预应力钢筋混凝土桥墩的初步设计。