基于能量平衡原理(EEDP)的高速铁路减隔震桥梁性能化设计方法及其计算系统与流程

本发明涉及一种基于基于能量平衡原理(eedp)的高速铁路减隔震桥梁性能化设计方法及其计算系统，属于铁道工程应用计算与设计技术领域。

背景技术

近年来，中国高速铁路发展迅速。高速铁路主要采用“以桥代路”的方式修建，桥梁在线路中占比超过百分之五十，其中90％以上为简支梁桥，桥梁以刚度控制为设计准则来满足高速行车的平顺性要求。同时，中国作为地震高发国家，所规划的高铁路网大多穿越7度及以上高烈度地震区，高速铁路桥梁不可避免地面临严重地震威胁。作为生命线工程的桥梁，通过良好的设计使其在地震下不发生过大破坏，保持震后功能可恢复性对于保障生命和结构安全、尽快实现灾后救援具有重要意义。目前中国高速铁路抗震设计依据《铁路工程抗震规范》中给出了三水准抗震设防目标，但通过多遇地震设计结构弹性、罕遇地震验算桥墩延性的两阶段设计方法不能同时保证多个性能目标的实现，且在保持行车平顺性所要求的刚度控制设计原则下，桥梁结构的实际抗震性能不明确。为了进一步明确高速铁路桥梁结构的抗震性能以及避免桥梁支座在强地震下可能发生的破坏，在高速铁路桥梁中加入减隔震支座，减隔震支座在行车下可通过锁定装置保障行车要求，在强地震作用时锁定装置被动失效，支座通过自身的耗能及延长桥梁结构周期来降低桥梁结构的地震响应以保障强地震下的结构安全。因此，进行高速铁路桥梁抗震设计方法的研究具有重要的现实意义。目前，减隔震技术的应用极大地提高了桥梁的抗震性能，但由于我国的桥梁减隔震技术起步相对较晚，在设计理念和设计方法上仍存在一定局限性，在基于性能的抗震设计思想的基础上发展高速铁路减隔震桥梁的设计可进一步完善桥梁减隔震设计，但在目前的研究中，仍存很多的问题。

在高速铁路减隔震桥梁性能化设计研究中，anderson等采用等效线性化方法来设计隔震桥梁，整个计算过程相对繁琐、需要迭代，刚度和阻尼与结构和地震动参数有关，由于地震动的随机性，其关系很难唯一确定。jara等给出了采用铅芯橡胶支座桥梁的抗震设计过程，但整个过程着重关注铅芯橡胶支座的设计及等效阻尼比的计算且只适合于桥墩高度规则的桥梁。国内学者中，王常峰等基于双线性系统的最大位移与弹性系统的最大位移关系，提出了一种适于隔震桥梁设计的非迭代计算方法，但在该方法中需要预先估计桥梁的设计参数。随着我国高速铁路的快速发展，为了设计出安全、可靠的高速铁路减隔震桥梁，要求一种性能明确，计算简单，快速高效、能够准确设计出性能化的高速铁路减隔震桥梁的设计方法及计算系统。

因此，研究一种新型的高速铁路减隔震桥梁性能化设计方法及其计算系统已成为亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷，本发明的目的是提出了一种基于能量平衡原理(eedp)的高速铁路减隔震桥梁性能化设计方法，并在此基础上开发了该方法的计算系统。本发明是在线性单自由度和其等效非线性单自由度能量之间的关系的基础上，建立了一种适用于串联抗震体系的新型性能设计方法(equivalentenergy-baseddesignprocedure,简称为eedp)，该方法依据抗震需求选取设防地震，将单自由度结构的强度和延性作为直接的设计指标，通过能量比例系数得到结构的弹性能和单调推覆能之间的关系，以获得单自由度结构力-位移曲线，再选定满足上述力-位移曲线的基本结构、附加抗震结构的理想弹塑性屈服机制，继而进行具体的构件设计。此外，基于有限元软件opensees和计算软件matlab开发了该方法的计算系统，主要由地震反应谱转换模块、能量平衡系数计算模块、设计参数计算模块和eedp设计值和时程分析结果对比模块组成。该系统可以实现地震波向地震反应谱的转换，两个能量平衡系数γa和γb的求解，所要设计支座参数的求解以及设计值和时程分析结果的对比，进而判断设计值的误差范围。

为实现上述技术目的，本发明专利的技术方案是：一种基于能量平衡原理(eedp)的高速铁路减隔震桥梁性能化设计方法，其特征在于，包括：高速铁路桥梁性能目标的确定：在现行的高速铁路设计规范中关于桥墩的性能目标规定不明确的前提下，对高速铁路桥墩的抗震性能进行了分析，提出了更为具体的桥梁性能目标；能量平衡系数的计算：能量平衡系数体现了线性单自由度和其等效非线性单自由度能量之间的关系；等效单自由度体系的建立：在计算多自由度结构的能量时，需要明确结构层间剪力、层间位移，对于待设计的结构来说，使用双自由度模型进行能量计算避免不了迭代，故将桥墩-支座-梁体模型串连双自由度模型简化为一单自由度模型；不同抗震设防水准下的设计：分别在多遇地震、设计地震、罕遇地震三个设防水准下对高速铁路桥梁进行性能化设计。

优选地，在高速铁路桥梁性能目标的确定时，首先以高速铁路桥梁为研究对象，以确定的结构性能目标为目的，在现行的高速铁路设计规范中关于桥墩的性能目标规定不明确的前提下，对高速铁路桥墩的抗震性能进行了分析，基于已有的实验数据，将桥墩的骨架曲线简化为弹塑性双折线得到桥墩的屈服剪力，并通过与由规范给出的反应谱计算得到桥墩地震力做对比，得到高速铁路桥墩在设计地震下可能发生屈服的结论。基于此结论，结合现行规范中的要求，提出了更为具体的桥梁性能目标。

优选地，在能量平衡系数的计算时，首先需要对用于时程分析的地震波进行选择，其次，在计算能量平衡系数γa时需要选定结构的初始周期和屈服比(即目标剪力与多遇地震时桥墩的底部剪力的比值)的取值范围，在计算能量平衡系数γb时还要选定屈服后刚度比(即骨架曲线第三段刚度与第二段刚度的比值)的取值范围。最后，将计算出的值进行筛选、匹配即可得到对应的能量平衡系数值。

优选地，在等效单自由度体系的建立时，高速铁路简支梁桥可简化为一双自由度模型，在基于能量平衡原理(eedp)的高速铁路减隔震桥梁性能化设计方法中，通过转化关系，将其等效为单自由度体系来计算。

优选地，在不同抗震设防水准下的设计时，首先将反应谱曲线转化为支座顶部位移d和桥墩底部剪力f的曲线，然后根据能量等效原理计算出等效单自由度体系在多遇地震、设计地震、罕遇地震三个设防水准下对应的底部剪力和顶点位移，最后通过等效单自由度体系和高速铁路简支梁桥双自由度模型之间的转化关系完成对高速铁路减隔震桥梁支座的设计。

本发明另一技术方案是：一种基于能量平衡原理(eedp)的高速铁路减隔震桥梁性能化设计计算系统，其特征在于，包括：地震反应谱转换模块、能量平衡系数计算模块、设计参数计算模块和eedp设计值和时程分析结果对比模块。能量平衡系数计算模块是由opensees中的γa计算模块、opensees中γb的计算模块和matlab匹配拟合模块来实现，设计参数计算模块是由梁体-支座-桥墩双自由度第一振型求解模块和支座滑动后刚度求解模块来实现。

优选地，地震反应谱转换模块根据结构频率、阻尼比、设防等级、场地类别和分组，依托规范所给出的设计反应谱，给定与结构特征相关的反应谱具体取值。

优选地，能量平衡系数计算模块是eedp方法中涉及到的两个能量平衡系数的计算模块，其计算模型是单自由度。首先在opensees中调用的γa计算模块，计算多条地震波激励下，不同初始周期、不同屈服比体系的顶点位移与对应的能量平衡系数，并输出结果。然后在matlab中调用匹配拟合模块对opensees输出结果进行匹配，拟合出不同初始周期、不同屈服比下能量平衡系数γa对应的曲线，并输出对应的拟合曲线系数。同样的，在计算完γa以后，在opensees中调用γb的计算模块，计算多条地震波激励下，不同初始周期、不同屈服比和不同屈服后刚度比体系的顶点位移与对应的能量平衡系数，并输出结果。然后在matlab中调用匹配拟合模块对opensees输出结果进行匹配，拟合出不同初始周期、不同屈服比和不同屈服后刚度比下能量平衡系数γb对应的曲线，并输出对应的拟合曲线系数。

优选地，设计参数计算模块是由梁体-支座-桥墩双自由度第一振型求解模块和支座滑动后刚度求解模块来实现。

优选地，梁体-支座-桥墩双自由度第一振型求解模块计算时，首先通过eedp方法计算得到单自由度体系的顶点位移，然后通过单自由度和双自由的转化关系，即可得到梁体-支座-桥墩双自由度模型的第一振型比。

优选地，支座滑动后刚度求解模块计算时，输入梁体的质量、桥墩的质量及刚度以及梁体-支座-桥墩双自由度模型的振型比，通过选定的刚度比，利用matlab的计算能力，多次循环，即可得出符合精度要求的支座滑动后刚度。

优选地，eedp设计值和时程分析结果对比模块计算时，利用eedp方法设计得到的设计值，在opensees中建立梁体-支座-桥墩物理模型，在多条地震波的激励下计算结构的动力响应，输出eedp计算值和时程分析值的对比结果。

本发明的有益技术效果是：

1、本发明提出了一种准确高效的基于能量平衡原理(eedp)的高速铁路减隔震桥梁性能化设计方法，该方法依据抗震需求选取设防地震，将单自由度结构的强度和延性作为直接的设计指标，通过能量比例系数得到结构的弹性能和单调推覆能之间的关系，以获得单自由度结构力-位移曲线，再选定满足上述力-位移曲线的基本结构、附加抗震结构的理想弹塑性屈服机制，继而进行具体的构件设计。该方法无须预设结构的初始周期或者构件尺寸，不需要进行复杂的迭代计算即可获得满足预期的性能目标的性能曲线，因此在工程实际应用中具有显著优势。

2、本发明提供了一种基于能量平衡原理(eedp)的高速铁路减隔震桥梁性能化设计计算系统，其利用有限元软件opensees和软件matlab实现了eedp方法对高速铁路简支梁桥的减隔震设计。该软件实现了地震波向反应谱的转换，考虑了工程设计需要多种地震工况的原则，可实现多条地震波的输入。可以得到eedp方法中涉及到的两个能量平衡系数的值，实现等效单自由度体系和双自由度体系的转换，得到双自由度体系的第一振型，进一步计算可得到摩擦摆支座的摩擦系数、滑动刚度。也可将设计结果和时程分析结果进行对比，整个计算过程形式简单，计算方便，适于工程应用，对工程师设计方案选取具有重要的指导意义。

附图说明

图1为基于能量平衡原理(eedp)的高速铁路减隔震桥梁性能化设计计算系统的结构示意图；

图2为高速铁路简支梁桥示意图；

图3为等效单自由度体系的建立原理示意图；

图4为一种基于能量平衡原理(eedp)的高速铁路减隔震桥梁性能化设计方法的原理示意图；

图5为多遇地震和设计地震水准下性能化设计原理示意图；

图6为罕遇地震水准下性能化设计原理示意图；

图7为能量平衡系数γa的求解原理示意图；

图8为能量平衡系数γb的求解原理示意图；

图9为地震波的平均谱与设计谱对比图；

图10为能量平衡系数γa在不同周期、不同屈服比下拟合的曲线图；

图11为能量平衡系数γb在不同周期、不同屈服后刚度比下拟合的曲线图；

图12为eedp设计结果和时程分析结果对比图；

具体实施方法

下面结合附图对本发明专利作进一步说明。

图1是基于能量平衡原理(eedp)的高速铁路减隔震桥梁性能化设计计算系统的结构示意图，如图1所示，基于能量平衡原理(eedp)的高速铁路减隔震桥梁性能化设计计算系统包括地震反应谱转换模块、能量平衡系数计算模块、设计参数计算模块和eedp设计值和时程分析结果对比模块。能量平衡系数计算模块是由opensees中的γa计算模块、opensees中γb的计算模块和matlab匹配拟合模块来实现，设计参数计算模块是由梁体-支座-桥墩双自由度第一振型求解模块和支座滑动后刚度求解模块来实现。

图2是高速铁路简支梁桥示意图。

图3为等效单自由度体系的建立原理示意图，该过程建立了梁体-支座-桥墩串连系统与等效单自由度在设计地震时位移与支座等效割线刚度间的关系，得到了对应单自由度的能力曲线。

图4是基于能量平衡原理(eedp)的高速铁路减隔震桥梁性能化设计方法的原理示意图。

图5至图8展示了基于能量平衡原理(eedp)的高速铁路减隔震桥梁性能化设计方法在各个阶段设计的原理。图5为多遇地震和设计地震水准下性能化设计原理示意图，经过该过程可得到支座的摩擦系数与支座的滑动刚度，至此，完成了支座的两参数设计并实现了前两个性能目标；图6为罕遇地震水准下性能化设计原理示意图，通过此过程可计算出桥墩顶点位移进行延性验算，将顶点位移近似认作支座位移，为罕遇地震下支座位移最大值提供参考；图7为能量平衡系数γa的求解原理示意图，能量平衡系数γa体现了地震水准又多遇地震增加到设计地震时线性单自由度和其等效非线性单自由度能量之间的关系；图8为能量平衡系数γb的求解原理示意图，能量平衡系数γb体现了地震水准又设计地震增加到罕遇地震时线性单自由度和其等效非线性单自由度能量之间的关系。

图9至图12展示了基于能量平衡原理(eedp)的高速铁路减隔震桥梁性能化设计计算系统的输出结果。图9为地震波的平均谱与设计谱对比图，将选取的地震波输入到地震反应谱转换模块中，即可得到单条地震波的反应谱或多条地震波的平均谱；图10为能量平衡系数γa在不同周期、不同屈服比下拟合的曲线图；图11为能量平衡系数γb在不同周期、不同屈服后刚度比下拟合的曲线图；图12为eedp设计结果和时程分析结果对比图，将设计结果输入到eedp设计值和时程分析结果对比模块中，即可分析eedp设计值和时程分析结果之间的误差。