一种公路桥梁经济性准隔震体系设计方法

本发明涉及桥梁及地震工程领域，具体是一种公路桥梁经济性准隔震体系设计方法。

背景技术：

1、成本低廉、性能良好的板式橡胶支座已成为公路桥梁中应用最为广泛的支座形式之一，考虑到支座在桥梁上的安装和施工方便，板式橡胶支座多采用无粘结约束形式，这使得支座在地震作用下容易发生滑移，引起主梁产生过大的水平位移，从而导致挡块、桥台、伸缩缝等构件受到主梁撞击而破坏，甚至引发严重的落梁震害；与此同时，板式橡胶支座滑移对桥梁结构下部的桥墩起到了一定隔震效果，因此桥墩的地震损伤一般较小。基于“允许板式橡胶支座滑移”和“设置成本低廉弹塑性挡块”的核心理念，板式橡胶支座和弹塑性挡块结合后形成公路桥梁新型经济性准隔震结构体系；在强震下允许板式橡胶支座发生一定滑移，对下部桥墩起到隔震作用，利用弹塑性挡块控制支座滑移在容许范围内，可防止发生主梁落梁。通过合理选取弹塑性挡块的设计参数，可实现地震下主梁位移需求和桥墩受力需求的有效平衡。

2、目前针对公路桥梁准隔震体系的设计计算通常采用基于弹塑性有限元模型的非线性地震反应分析，满足设计目标的弹塑性挡块的参数取值一般通过大量的参数分析获得，这样的设计计算方法主要存在两点不足：1.弹塑性有限元建模较为复杂，非线性地震反应分析容易出现计算收敛性问题；2.通过参数分析确定弹塑性挡块设计参数的计算工作量较大且费时，不利于设计人员在实际工程中的应用，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，本发明提供了一种公路桥梁经济性准隔震体系设计方法。本发明可高效便捷地获取满足设计性能目标的弹塑性挡块尺寸、桥墩配筋的设计参数，计算量较小，便于实际工程应用，大幅提升了桥梁准隔震体系的设计和分析效率。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种公路桥梁经济性准隔震体系设计方法，包括如下步骤：

4、s1、确定桥梁结构，桥梁结构包括桥墩以及布置在桥墩上的主梁，主梁与桥墩之间布置有板式橡胶支座，以使得主梁与桥墩之间可通过板式橡胶支座产生相对滑动位移；桥墩上还布置有对主梁施加沿水平方向弹性力的弹塑性挡块，以使得主梁相对于桥墩产生相对位移后可受弹性力作用复位；

5、s2、确定桥梁结构的设计参数，设计参数包括：

6、弹塑性挡块的最大位移延性需求μd；

7、板式橡胶支座的最大位移延性需求μb；

8、未设置弹塑性挡块时桥梁结构的基本周期t；

9、s3、根据基本周期t和设计加速度反应谱得到未设置弹塑性挡块时桥梁结构的谱加速度值sa，设定布置弹塑性挡块后桥梁结构对应的谱加速度值si>sa；

10、s4、计算所需的弹塑性挡块刚度kd和屈服强度fyd，然后计算设置弹塑性挡块后桥梁结构的基本周期ti，得到更新后的结构谱加速度值si+1；

11、s5、判断更新后的结构谱加速度值si+1是否与假定的谱加速度值si对应；当两值不对应时，返回步骤s3重新假定谱加速度值si，当两值对应时，执行步骤s6；

12、s6、根据基本周期ti判断桥梁结构是否需要位移修正，修正后得到最终的弹塑性挡块的刚度kdf和屈服强度fydf，根据弹塑性挡块的刚度kdf和屈服强度fydf设计弹塑性挡块的结构形式和尺寸，根据弹塑性挡块的参数对桥墩的配筋进行重新设计。

13、作为本发明进一步的方案：在步骤s2中，

14、

15、

16、

17、

18、

19、其中：δb为板式橡胶支座的最大地震位移；

20、δyb为板式橡胶支座的临界滑动位移；

21、fyb为板式橡胶支座的滑动摩擦力；

22、kb为桥墩上所有板式橡胶支座水平剪切刚度之和；

23、ηi为弹塑性挡块的强度比；

24、αi为弹塑性挡块与板式橡胶支座的刚度比；

25、m为所有板式橡胶支座承受的总质量；

26、k为未设置弹塑性挡块时桥梁结构的整体弹性刚度；

27、kp为桥墩的侧向抗推刚度。

28、作为本发明再进一步的方案：板式橡胶支座的强度比ξi为：

29、

30、

31、其中，fe为主梁的地震惯性力，fe＝msi。

32、作为本发明再进一步的方案：在步骤s4中，

33、kd＝kbαi；

34、

35、

36、

37、ki为设置弹塑性挡块后桥梁结构的整体弹性刚度。

38、作为本发明再进一步的方案：在步骤s6中，当基本周期ti不大于1.25倍的设计加速度反应谱的特征周期时，根据等能量原理将计算得到的μb和μd值乘以修正系数进行修正，修正系数rd为：

39、

40、其中：tg为设计加速度反应谱的特征周期；

41、μ为待修正的位移延性系数。

42、作为本发明再进一步的方案：在步骤s6中，桥墩的配筋设计应使桥墩的横向抗推强度fyp满足以下公式：

43、

44、其中，表示材料超强系数；

45、fd为设计位移水平下弹塑性挡块的水平弹性力。

46、作为本发明再进一步的方案：在步骤s5中，当更新后的结构谱加速度值si+1与假定的谱加速度值si不对应时，将步骤s3中的si替换为si+1。

47、作为本发明再进一步的方案：弹塑性挡块的最大位移延性需求μd根据其构造形式、材料性能并结合试验数据综合确定，不超过弹塑性挡块的最大变形能力；

48、板式橡胶支座的最大位移延性需求μb需根据板式橡胶支座、主梁以及桥墩的尺寸，以允许板式橡胶支座发生滑移，但不允许主梁落梁为目标综合确定。

49、一种电子设备，包括处理器、输入设备、输出设备和存储器，所述处理器、输入设备、输出设备和存储器依次连接，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述处理器被配置用于调用所述程序指令，执行所述的一种公路桥梁经济性准隔震体系设计方法。

50、一种可读存储介质，该存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述程序指令当被处理器执行时使处理器执行所述的一种公路桥梁经济性准隔震体系设计方法。

51、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

52、1、本发明通过对主梁、板式橡胶支座、弹塑性挡块、桥墩进行串并联简化，引入板式橡胶支座强度比ξ、弹塑性挡块强度比以及弹塑性挡块与板式橡胶支座刚度比这三个无量纲参数并推导三者间的理论公式，进而得到板式橡胶支座地震位移需求与弹塑性挡块设计参数间的直接对应关系，设计人员只需要输入设定的板式橡胶支座位移需求目标和基本的桥梁参数，通过本方法即可确定弹塑性挡块的刚度、强度及桥墩配筋等设计参数，为抗震分析和设计提供帮助，可高效便捷地获取满足设计性能目标的弹塑性挡块尺寸、桥墩配筋的设计参数，计算量较小，便于实际工程应用，大幅提升了桥梁准隔震体系的设计和分析效率。

53、2、本发明通过公式构建，明确了桥梁准隔震体系中板式橡胶支座位移需求与弹塑性挡块设计参数间的对应关系，使得结构设计过程具象化、简洁化，保证了设计精度，通用性广，为公路桥梁经济性准隔震设计方法提供了载体。

54、3、本发明无需建立结构弹塑性有限元模型，也无需开展大量的非线性地震反应参数分析来确定弹塑性挡块屈服强度、刚度以及桥墩配筋等设计参数值，通过全新的设计方法大大简化了分析设计流程，通过引入3个无量纲参数来建立设计目标与待设计参数间的直接对应关系，避免了复杂的中间计算过程，大幅提高了设计效率。