集中荷载侧向作用下倾斜桥塔侧向变形计算方法

本发明涉及本发明涉及桥梁设计，具体涉及一种集中荷载侧向作用下倾斜桥塔侧向变形计算方法。

背景技术：

1、随着我国交通运输工程的迅速发展，我国已成为世界上拥有桥梁数量最多的国家之一。目前，已建成桥梁的桥塔形状十分丰富，除了传统的垂直桥塔，如h型桥塔、独柱型桥塔；还出现了非常多的倾斜桥塔，如a字型桥塔、倒y型桥塔、钻石型桥塔等。由于倾斜桥塔具有较好的结构稳定性以及较为美观的结构形式等优点，因此近些年越来越多的桥梁采用倾斜桥塔。

2、在桥梁设计中，顶部集中荷载是一种常见的荷载形式。它通常是由风力、地震力等环境因素引起的荷载，而这些荷载在结构简化计算时通常被简化为作用在桥梁结构顶部的水平集中荷载。因此研究集中荷载侧向作用下倾斜桥塔的侧向变形就显得至关重要。

3、计算倾斜桥塔结构的侧向变形常用的解析计算方法是d值法，d值法用于计算一般的垂柱结构可以取得较好的结果，然而由于倾斜桥塔的斜柱具有一定的倾角，采用d值法计算倾斜桥塔的侧向变形会存在较大的误差，尽管有些学者提出采用d值法的修正方法，仍然无法满足实际工程需要。因此，目前对于倾斜桥塔的侧向变形计算大多采用有限元软件进行分析计算，但采用有限元软件分析由于计算量庞大、建模复杂、需要输入较多的参数等特点，导致计算成本大、计算效率低下等问题。为满足日益增长的工程计算需求，亟需一种适用于集中荷载侧向作用下倾斜桥塔侧向变形的解析计算方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种集中荷载侧向作用下倾斜桥塔侧向变形计算方法，该方法不仅计算准确度高，而且计算简单，高效直观。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种集中荷载侧向作用下倾斜桥塔侧向变形计算方法，首先修正桥塔的抗侧刚度，计算桥塔在集中荷载侧向作用下由于层间剪切引起的剪切型变形，然后考虑倾斜桥塔的横梁转角对侧向变形的影响，计算由于横梁转角导致的转角刚体变形，最后将剪切型变形和转角刚体变形叠加，得到倾斜桥塔的侧向变形。

3、进一步地，该方法包括以下步骤：

4、步骤s1：测量或获取倾斜桥塔的各结构参数；初始化变量i＝1；

5、步骤s2：计算桥塔第i层反对称荷载作用下结构的反对称未知力xi；

6、步骤s3：计算桥塔第i层的名义层间抗侧刚度ki；计算底层倾角因素变化系数δ；

7、步骤s4：计算桥塔第i层的层间抗侧刚度ki'；

8、步骤s5：计算桥塔第i层横梁左侧竖向变形vli、桥塔第i层横梁右侧竖向变形vri；

9、步骤s6：计算桥塔第i层的横梁转角θi；

10、步骤s7：计算桥塔第i层的剪切型变形δuvi；计算桥塔第i层的转角刚体变形δuθi；

11、步骤s8：判断i是否等于n，是则输出桥塔各层的剪切型变形和转角刚体变形，然后转步骤s9，否则返回步骤s2继续循环；

12、步骤s9：计算桥塔第n层整体的剪切型层间变形uvn、桥塔第n层整体的转角刚体变形uθn；

13、步骤s10：计算顶点集中荷载侧向作用下倾斜桥塔第n层的整体侧移un。

14、进一步地，所述步骤s1中，测量或获取倾斜桥塔的各结构参数具体包括以下步骤：

15、步骤s1.1：对于总层数为n层的倾斜桥塔，测量桥塔第i层的层高hi、桥塔第i层的横梁长度li、桥塔第i层的斜柱倾角αi，其中i＝1,2,3,…,n；

16、步骤s1.2：根据所用的材料特性，计算桥塔第i层横梁抗弯刚度eibi、桥塔第i层斜柱抗弯刚度eici、梁柱线刚度比其中i＝1,2,3,…,n。

17、进一步地，所述步骤s2中，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：

18、

19、式中，αi为桥塔第i层的斜柱倾角；ai为桥塔第i层斜柱抗弯刚度eici与桥塔第i层横梁抗弯刚度eibi之比，即ai＝eici/eibi；bi为桥塔第i层的横梁长度li与桥塔第i层的层高hi之比，即bi＝li/hi。

20、进一步地，所述步骤s3中，桥塔第i层的名义层间抗侧刚度ki的计算方法如下：

21、

22、底层倾角因素变化系数δ的计算方法如下：

23、

24、式中，α1为桥塔第1层的斜柱倾角。

25、进一步地，所述步骤s4中，桥塔第i层的层间抗侧刚度ki'的计算方法如下：

26、当i＝1时，桥塔第1层的层间抗侧刚度k1'为：

27、

28、当i≥2时，桥塔第i层的层间抗侧刚度ki'为：

29、

30、进一步地，所述步骤s5中，桥塔第i层横梁左侧竖向变形vli的计算方法如下：

31、

32、桥塔第i层横梁右侧竖向变形vri的计算方法如下：

33、

34、式中，p为水平节点集中外荷载。

35、进一步地，所述步骤s6中，桥塔第i层的横梁转角θi的计算方法如下：

36、

37、进一步地，所述步骤s7中，桥塔第i层的剪切型变形δuvi的计算方法如下：

38、

39、桥塔第i层的转角刚体变形δuθi的计算方法如下：

40、δuθi＝θi(hi+1+hi+2+…+hn) (10)。

41、进一步地，所述步骤s9中，桥塔第n层整体的剪切型层间变形uvn的计算方法如下：

42、

43、桥塔第n层整体的转角刚体变形uθn的计算方法如下：

44、

45、所述步骤s10中，顶点集中荷载侧向作用下倾斜桥塔第n层的整体侧移un的计算方法如下：

46、

47、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明提供了一种集中荷载侧向作用下倾斜桥塔侧向变形计算方法，该方法解决了现有解析计算方法应用于倾斜桥塔侧向变形计算时，无法适用于倾斜桥塔结构，计算结果与实际情况不符，存在较大的误差的难题；同时也解决了有限元方法计算倾斜桥塔时不够直观、计算繁琐的问题。本发明不仅对于倾斜桥塔侧向变形的计算准确度高，计算结果与实际情况误差小，而且计算简单，高效直观，具有很强的实用性和广阔的应用前景。

技术特征：

1.一种集中荷载侧向作用下倾斜桥塔侧向变形计算方法，其特征在于，首先修正桥塔的抗侧刚度，计算桥塔在集中荷载侧向作用下由于层间剪切引起的剪切型变形，然后考虑倾斜桥塔的横梁转角对侧向变形的影响，计算由于横梁转角导致的转角刚体变形，最后将剪切型变形和转角刚体变形叠加，得到倾斜桥塔的侧向变形。

2.根据权利要求1所述的集中荷载侧向作用下倾斜桥塔侧向变形计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

3.根据权利要求1所述的集中荷载侧向作用下倾斜桥塔侧向变形计算方法，其特征在于，所述步骤s1中，测量或获取倾斜桥塔的各结构参数具体包括以下步骤：

4.根据权利要求1所述的集中荷载侧向作用下倾斜桥塔侧向变形计算方法，其特征在于，所述步骤s2中，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：

5.根据权利要求1所述的集中荷载侧向作用下倾斜桥塔侧向变形计算方法，其特征在于，所述步骤s3中，桥塔第i层的名义层间抗侧刚度ki的计算方法如下：

6.根据权利要求1所述的集中荷载侧向作用下倾斜桥塔侧向变形计算方法，其特征在于，所述步骤s4中，桥塔第i层的层间抗侧刚度ki'的计算方法如下：

7.根据权利要求1所述的集中荷载侧向作用下倾斜桥塔侧向变形计算方法，其特征在于，所述步骤s5中，桥塔第i层横梁左侧竖向变形vli的计算方法如下：

8.根据权利要求1所述的集中荷载侧向作用下倾斜桥塔侧向变形计算方法，其特征在于，所述步骤s6中，桥塔第i层的横梁转角θi的计算方法如下：

9.根据权利要求1所述的集中荷载侧向作用下倾斜桥塔侧向变形计算方法，其特征在于，所述步骤s7中，桥塔第i层的剪切型变形δuvi的计算方法如下：

10.根据权利要求1所述的集中荷载侧向作用下倾斜桥塔侧向变形计算方法，其特征在于，所述步骤s9中，桥塔第n层整体的剪切型层间变形uvn的计算方法如下：

技术总结
本发明涉及一种集中荷载侧向作用下倾斜桥塔侧向变形计算方法，首先修正桥塔的抗侧刚度，计算桥塔在集中荷载侧向作用下由于层间剪切引起的剪切型变形，然后考虑倾斜桥塔的横梁转角对侧向变形的影响，计算由于横梁转角导致的转角刚体变形，最后将剪切型变形和转角刚体变形叠加，得到倾斜桥塔的侧向变形。该方法不仅计算准确度高，而且计算简单，高效直观。

技术研发人员：张超,严伟龙,杜修力,韩强,赖志超,朱展
受保护的技术使用者：福州大学
技术研发日：
技术公布日：2024/8/1