自复位圆形截面桥墩混凝土配筋设计方法与流程

本发明涉及桥梁，具体地，涉及一种自复位圆形截面桥墩混凝土配筋设计方法。

背景技术：

1、目前国内外桥梁抗震设计规范主要采用延性抗震设计理念，即在极限设计中允许桥墩局部区域进入塑性状态生成塑性铰，通过塑性铰区域内的混凝土压碎和钢筋屈服来耗散地震作用于桥梁的能量。基于延性抗震设计理念，桥梁在地震作用后虽不会发生坍塌，但塑性铰区域结构受到严重破坏产生显著残余变形，桥墩修复难度大且所需时间和人力成本巨大，残余变形过大时甚至需要拆除重建，造成较大经济损失并妨碍震后的交通恢复进程。

2、为提高桥梁结构的震后使用功能，快速恢复交通生命线，桥梁抗震设计理念从过去的延性抗震设计转向韧性抗震设计，国内外有不少学者提出了自复位桥梁结构，该类结构能够通过外部阻尼器来耗散地震作用于桥梁的能量并通过预应力索使桥梁在震后回归初始位置，即桥梁残余变形可以忽略不计。但目前国内外学者对自复位桥梁的研究多局限于有限元模拟或者实验室缩尺模型，采用与传统延性桥墩相同的配筋设计应用于自复位桥墩，未专门针对自复位桥墩开发出与其性能匹配的混凝土配筋设计方法，从而难以准确指导自复位桥墩在实际工程中的结构设计，不利于这一新型抗震桥梁结构的工程推广和应用。

技术实现思路

1、针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种自复位圆形截面桥墩混凝土配筋设计方法。

2、本发明提供一种自复位圆形截面桥墩混凝土配筋设计方法，该方法包括：

3、获取自复位桥墩截面设计参数；

4、设定混凝土受压极限应变初始值，基于平截面假设，确定混凝土受压区截面任意一点处的应变与受压极限应变初始值的关系表达式；

5、设定设计截面的纵向钢筋配筋率初始值，根据纵向钢筋配筋率初始值确定纵筋的钢筋型号和数量；

6、基于平截面假设，确定设计截面钢筋应变与混凝土受压极限应变初始值的关系表达式；

7、假定混凝土截面圆心与中性轴割线在圆形截面两侧的端点形成的角度α0，将该角度的一半定义为θ的初始值，根据θ的初始值确定受压区高度；

8、根据自复位桥墩混凝土截面竖向受力平衡关系，通过迭代方法计算受力平衡分析结果收敛后的θ值，并求解该θ值对应下的混凝土受压区压力、受压钢筋压力和受拉钢筋拉力；

9、根据混凝土受压区压力、受压钢筋压力和受拉钢筋拉力，计算截面的弯矩抗力；

10、校核自复位桥墩截面钢筋初始配筋设计是否满足截面的弯矩抗力与截面的设计弯矩需求的预设关系；

11、当截面的弯矩抗力与截面的设计弯矩需求不满足预设关系时，修改截面配筋设计或者/并且截面尺寸，直至截面的弯矩抗力与截面的设计弯矩需求满足预设关系；

12、当截面的弯矩抗力与截面的设计弯矩需求满足预设关系时，实现纵筋配筋设计。

13、进一步地，所述获取自复位桥墩截面设计参数，包括：获取桥墩混凝土材料抗压强度f'c、钢筋屈服强度fy、桥墩截面直径d、混凝土保护层厚度ccover、自复位桥墩设计截面处的轴向压力pu、截面的设计弯矩需求mu以及截面设计剪力需求vu。

14、进一步地，所述混凝土受压区截面任意一点处的压应力与该处应变以及对应fc’的应变的关系表达式为：

15、式中，σc为混凝土受压区截面任意一点处的压应力，εc0为混凝土应力应变模型中对应fc’的应变，εc为混凝土抗压区该点的应变。

16、进一步地，所述根据纵向钢筋配筋率初始值确定纵筋的钢筋型号和数量，其中：ρ0·a＝n·as；

17、式中，ρ0为设计截面的纵向钢筋配筋率初始值，as为单个钢筋截面面积，a为设计截面的截面面积，n为钢筋数量。

18、进一步地，所述确定设计截面钢筋应变与混凝土受压极限应变初始值的关系表达式，其中，设计截面钢筋应变与混凝土受压极限应变初始值的关系表达式为：同时εs满足：∣εs∣≤εy；

19、式中，εs为设计截面钢筋应变，εs计算值为正代表拉应变，计算值为负代表压应变；ε’c0为混凝土受压极限应变初始值，dc为混凝土极限受压边缘纤维至钢筋的距离，根据混凝土保护层厚度ccover得到；c为混凝土受压区的高度，εy为钢筋屈服点对应的应变。

20、进一步地，所述根据θ的初始值确定受压区高度，其中，受压区高度c的计算公式为：

21、进一步地，所述根据自复位桥墩混凝土截面竖向受力平衡关系，通过迭代方法计算受力平衡分析结果收敛后的θ值，并求解该θ值对应下的混凝土受压区压力、受压钢筋压力和受拉钢筋拉力，其中：

22、自复位桥墩混凝土截面竖向受力平衡关系表达式为：

23、cc+cs-ts＝pu

24、式中，cc为混凝土受压区压力，cc＝∫σcdac，σc为混凝土受压区截面任意一点处的压应力，ac为混凝土受压区面积；cs为受压钢筋压力，cs＝∑esasε's；ts为受拉钢筋拉力，ts＝∑esasεs；es为钢筋弹性模量，as为单根钢筋面积，εs'为受压区单根钢筋对应的压应变；

25、通过数学软件进行数值求解或者手工试错迭代求解平衡关系表达式中的θ。

26、进一步地，所述截面的弯矩抗力φmn的计算公式为：φmn＝∫σc·δac·xc+∑esasε′sdcs+∑esasεsdts；

27、式中，xc为混凝土受压区积分表达式中该截面面积变分形心至截面中性轴的距离，dcs为指定受压钢筋形心至截面中性轴的距离，dts为指定受拉钢筋形心至截面中性轴的距离。

28、进一步地，所述校核自复位桥墩截面钢筋初始配筋设计是否满足截面的弯矩抗力与截面的设计弯矩需求的预设关系，包括：

29、若φmn<mu，则增加设计截面的纵向钢筋配筋率，同时控制钢筋受拉最大应变不超过钢筋屈服应变的1.5倍；

30、若增加截面配筋率仍不能满足φmn≥mu时，则增大混凝土受压极限应变初始值，但不得超过0.002；

31、若增大混凝土受压极限应变初始值仍不能满足φmn≥mu时，则增大自复位桥墩截面；

32、反之，若φmn>1.5mu，则优先考虑降低设计截面的纵向钢筋配筋率；如果计算结果仍是φmn>1.5mu，则减小截面面积。

33、进一步地，在所述实现纵筋配筋设计之后，还包括箍筋设计，所述箍筋设计包括以下步骤：

34、确定自复位桥墩开合面上方和下方的混凝土高度；

35、对于自复位桥墩开合面上方和下方的混凝土区域，箍筋设计满足：

36、

37、式中，ρs为箍筋的体积率，asp为箍筋截面面积，dc为箍筋包裹核心外表面直径，s为箍筋间距，f'c为桥墩混凝土材料抗压强度，fyh为箍筋屈服强度；

38、对于自复位桥墩墩柱除开合面上方和下方混凝土区域的其它位置，箍筋设计满足：vu≤φvn＝φ(vc+vs)，

39、式中，vu为截面设计剪力需求，vn为截面抗剪强度，φ为抗力系数，vc和vs分别为混凝土和箍筋各自的抗剪贡献。

40、与现有技术相比，本发明具有如下至少之一的有益效果：

41、1、本发明提供的自复位圆形截面桥墩混凝土配筋设计方法，可根据自复位桥墩设计截面位置处的弯矩，求解满足自复位桥墩性能需求的钢筋配筋设计，用以实现自复位桥墩的工程设计，能够避免传统延性桥墩的设计方法造成自复位桥墩的配筋设计不能满足自复位桥梁的抗震需求，或者配筋过于保守而增加自复位桥梁的工程造价等问题，本发明有利于推动自复位桥梁的推广。

42、2、本发明旨在对自复位桥梁初步设计过程中获取自复位桥墩所需采用的配筋设计，有助于设计人员在后续分析设计中较为准确地选定自复位桥墩截面属性特征；而且能够对自复位桥梁设计方案进行优化筛选，降低后续分析设计的工作量，提高了设计人员的工作效率；并配合后续分析设计的结果，保证最终方案选择的准确与结构安全。