一种适用于倾斜桥塔的计算模型构建方法

本发明涉及本发明涉及桥梁设计，具体涉及一种适用于倾斜桥塔的计算模型构建方法。

背景技术：

1、随着科技进步发展，常规的方方正正的盒子型现代建筑已然不能够满足当代人对建筑美感的追求，斜柱建筑因其具有新颖的建筑立面风格以及独特的视觉冲击，而备受建筑设计师们的青睐，愈来愈多的高层建筑也采用了这种倾斜框架结构。

2、目前对于多层倾斜框架结构的分析，大多数集中在借助大型通用有限元程序建模分析的方法，但对于高层结构而言，有限元模型计算量庞大，计算耗时且需要输入较多参数，导致计算效率较低。而倾斜桥塔就是属于倾斜框架结构，故亟需一种可以直接准确分析计算倾斜桥塔结构的简化计算模型。

3、目前常用的简化计算模型是适用于垂直框架结构的多自由度简化模型，其存在的缺点主要是分析计算结果误差较大，计算精度不够准确，无法满足工程实际需要。传统的多自由度简化模型是将每层框架的楼面和柱子视为一个整体，将它们之间的连接简化为刚性连接，并将它们作为一个整体来承受侧向荷载的作用，再对侧向刚度在考虑梁柱线刚度比及上下层层高等因素影响下进行修正，得到传统的多自由度简化模型。而对于倾斜桥塔结构，由于斜柱倾角，桥塔的侧向变形不同于传统的垂柱结构，结构在侧向荷载作用下，斜柱由于一定的倾角将会影响桥塔柱的侧向刚度，导致采用传统的多自由度简化模型分析计算将会产生较大的误差。而倾斜桥塔在侧向荷载作用下横梁会产生一定的刚体转动，下层的横梁转动会影响上层的层间变形，进而导致上层桥塔的水平侧向变形增加或减少，也导致了采用传统的多自由度简化模型分析计算结构的受力及变形不准确。

4、因此，使用传统的多自由度简化模型分析存在以下缺点：

5、1.传统的多自由度简化模型计算倾斜桥塔结构由于忽略了斜柱倾角的影响，使得计算存在较大的误差，不能准确的评估倾斜桥塔结构的性能。在传统的多自由度简化模型中是假设所有的桥塔都是垂直的，忽略了柱的斜度，而斜柱的倾角会改变桥塔的传力路径和受力状态，使得柱的抗侧刚度不同于传统的垂柱结构，传统的多自由度简化模型忽略了斜柱倾角因素对桥塔抗侧刚度的影响，因此使用传统的多自由度简化模型分析计算倾斜桥塔结构会存在较大的误差，不能准确的评估倾斜桥塔结构的性能。

6、2.传统的多自由度简化模型由于没有考虑横梁转动变形的影响，在分析倾斜桥塔时无法准确计算结构的变形，不能满足实际工程需要。在倾斜桥塔中，由于结构本身存在一定的倾斜角度，因此在侧向荷载作用下，横梁不仅要承受竖向荷载产生的弯矩和剪切变形，还要承受水平荷载产生的扭矩和弯曲变形，这使得倾斜桥塔的横梁转角变形远大于传统的垂柱结构，而横梁转角变形会导致桥塔结构的整体刚度分布、局部变形发生改变，从而影响桥塔的抗侧刚度。然而适用于垂柱结构的传统多自由度简化模型没有直接考虑横梁转角对桥塔侧移的影响，因此使用传统的多自由度简化模型分析计算倾斜桥塔会存在较大的误差，不能满足实际工程需要。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种适用于倾斜桥塔的计算模型构建方法，该方法构建的计算模型有利于提高结构计算的精度。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种适用于倾斜桥塔的计算模型构建方法，包括以下步骤：

3、步骤s1：测量或计算多层倾斜桥塔的各原始参数；

4、步骤s2：计算桥塔第i层的名义层间抗侧刚度kai；

5、步骤s3：计算考虑斜柱倾角及梁柱线刚度比影响下的名义层间抗侧刚度的修正系数；

6、步骤s4：计算改进模型的第i层层间抗侧刚度ki'；

7、步骤s5：计算层间受力引起的第i层横梁转角ri'；

8、步骤s6：计算改进模型的第i层等效节点转动刚度kθi；

9、步骤s7：建立适用于倾斜桥塔的计算模型。

10、进一步地，所述步骤s1中，先测量倾斜桥塔各层的层高hi、横梁长度li、斜柱倾角αi，再根据所用的材料特性，计算每层横梁及柱的质量、桥塔横梁抗弯刚度eib、桥塔柱抗弯刚度eic，其中i＝1,2,3,…,n，n为倾斜桥塔的总层数。

11、进一步地，所述步骤s2中，桥塔第i层的名义层间抗侧刚度kai的计算方法如下：

12、

13、式中，xi为桥塔第i层反对称荷载作用下结构的反对称未知力，hi为桥塔第i层的层高，αi为桥塔第i层的斜柱倾角，a为桥塔柱与横梁抗弯刚度之比，即a＝eic/eib，eic为桥塔柱抗弯刚度，eib为桥塔横梁抗弯刚度，b为横梁长度与桥塔层高之比，即b＝li/hi，li为桥塔第i层的横梁长度，其中i＝1,2,...,n，n为倾斜桥塔的总层数。

14、进一步地，桥塔第i层反对称荷载作用下结构的反对称未知力xi的计算方法如下：

15、

16、式中，i＝1,2,...,n，n为倾斜桥塔的总层数。

17、进一步地，所述步骤s3具体包括以下步骤：

18、步骤s3.1：计算侧向刚度修正系数；

19、d值法一般层柱侧向刚度修正系数：

20、

21、d值法底层固结柱侧向刚度修正系数：

22、

23、改进的底层固结柱侧向刚度修正系数：

24、

25、改进的顶层柱侧向刚度修正系数：

26、

27、式中，为梁柱线刚度比；

28、步骤s3.2：计算底层倾角因素变化系数β；

29、

30、式中，α1为桥塔第1层的斜柱倾角。

31、进一步地，所述步骤s4中，改进模型的第i层层间抗侧刚度ki'的计算方法如下：

32、当i＝1时，改进模型的第1层层间抗侧刚度k1'为：

33、k1'＝β·αcka1   (7)

34、当i≥2时，改进模型的第i层层间抗侧刚度ki'为：

35、ki'＝αc'kai   (8)

36、式中，β为底层倾角因素变化系数，αc为d值法一般层柱侧向刚度修正系数，ka1为桥塔第1层的名义层间抗侧刚度，α′c为改进的底层固结柱侧向刚度修正系数，kai为桥塔第i层的名义层间抗侧刚度，i＝1,2,...,n，n为倾斜桥塔的总层数。

37、进一步地，所述步骤s5中，层间受力引起的第i层横梁转角ri'的计算方法如下：

38、

39、式中，hi为桥塔第i层的层高，li为桥塔第i层的横梁长度，αi为桥塔第i层的斜柱倾角，η为弧度与角度的转换系数，值为180°/π，p为水平节点集中外荷载，ki'为改进模型的第i层层间抗侧刚度，其中i＝1,2,...,n，n为倾斜桥塔的总层数。

40、进一步地，所述步骤s6中，改进模型的第i层等效节点转动刚度kθi的计算方法如下：

41、

42、式中，p为水平节点集中外荷载，hj为桥塔第j层的层高，li为桥塔第i层的横梁长度，ri'为层间受力引起的第i层横梁转角，ki'为改进模型的第i层层间抗侧刚度，η为弧度与角度的转换系数，值为180°/π，αi为桥塔第i层的斜柱倾角，其中i＝1,2,...,n，n为倾斜桥塔的总层数。

43、进一步地，所述步骤s7具体包括以下步骤：

44、步骤s7.1：将多层倾斜桥塔结构的每层横梁作为一个质点，将横梁以及横梁之间柱的质量分别向上、向下集中到横梁的质点处，并将其表示为层间换算质量，这一部分只有质量，没有刚度；

45、步骤s7.2：将每层桥塔的横梁和柱子视为一个整体，将横梁和柱子之间的连接简化为刚性连接，并将横梁和柱子作为一个整体来承受侧向荷载的作用，形成一个整体；

46、步骤s7.3：先基于倾斜桥塔推导出名义层间抗侧刚度，再考虑斜柱倾角及梁柱线刚度比影响下对名义层间抗侧刚度进行修正，最后得到改进模型第i层的层间抗侧刚度ki'；这一部分的杆件只有层间抗侧刚度ki'，忽略其质量；

47、步骤s7.4：先基于倾斜桥塔推导出由于层间受力引起的第i层横梁转角ri'，得到改进模型的第i层等效节点转动刚度kθi，使得改进模型考虑横梁转角的影响；这一部分的杆件只有改进模型的等效节点转动刚度kθi，忽略其质量；

48、步骤s7.5：结合质点、改进模型的层间抗侧刚度、改进模型的等效节点转动刚度并将其连接形成适用于倾斜桥塔的计算模型；其中质点只有质量没有刚度，杆件的一部分只有层间抗侧刚度ki'没有质量，杆件的另一部分只有等效节点转动刚度kθi没有质量。

49、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

50、1.本发明考虑了斜柱倾角对倾斜桥塔抗侧刚度的影响，提高了结构的计算精度。本发明根据倾斜桥塔推导出名义层间抗侧刚度，在考虑桥塔梁柱线刚度比以及斜柱倾角的影响，对名义层间抗侧刚度进行修正，提出了改进模型的层间抗侧刚度，从而考虑斜柱倾角对桥塔抗侧刚度的影响。在计算过程中考虑了由于斜柱倾角造成的传力路径和受力状态引起的侧向刚度变化，解决了传统计算方法中假设所有桥塔柱都是垂直的忽略斜柱倾角的问题，本发明考虑斜柱倾角对倾斜桥塔抗侧刚度的影响，提高了倾斜桥塔结构抗侧刚度和侧向位移的计算精度；

51、2.本发明考虑了横梁转角对倾斜桥塔抗侧刚度的影响，减少了计算误差，提高了倾斜桥塔的计算精度。本发明先推导出横梁转角计算公式，再基于横梁转角计算公式在传统模型的基础上引入等效节点转动刚度，得到改进的计算模型，从而考虑了在侧向荷载作用下横梁转动变形对倾斜桥塔侧向刚度的影响，使得桥塔的横梁转角变形可以得到直观的表示，解决了传统计算模型没有考虑横梁转动变形对桥塔侧移影响的问题，减少了计算误差，使得本发明的解析计算方法可以直接运用于工程实际。