CN109902369B - 一种基于本构关系的铁路桥梁工程结构强度计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于本构关系的铁路桥梁工程结构强度计算方法，包括以下步骤：采用多段线离散方式将不同截面形式转变为任意截面形式；对于任意截面形式，使用数值分块积分方法将复杂截面离散并计算每一部分的面积、重心轴高度和惯性矩等截面属性；使用循环计算将各部分截面属性求和得到整个截面的截面属性；对于钢筋混凝土结构，以两种材料共同变形为基础，通过迭代计算获得截面应力分布状态；对于预应力混凝土结构，以截面内外力平衡为基础，迭代计算不同受力下截面应力分布状态；校核所需计算位置应力是否满足限值要求并对其积分获得结构强度。本发明可以解决铁路桥梁工程中几乎所有截面形式、复杂配筋情况的单、双向受力结构强度计算问题。

Description

一种基于本构关系的铁路桥梁工程结构强度计算方法
技术领域
本发明属于铁路桥梁工程结构领域，具体涉及一种基于本构关系的铁路桥梁工程结构强度计算方法。
背景技术
结构设计原理是进行桥梁结构设计、配筋计算的基础，也是保证结构设计质量的基础。随着我国高速铁路建设的飞速发展和结构设计规范的不断更新，对能够适应复杂情况的结构设计计算方法的需求越来越大。
现有铁路桥梁工程设计中，还没有适用于多种复杂情况的成套结构强度计算方法，且现有设计规范对于任意截面形式、复杂配筋情况和双向受力情况并无详细规定，导致铁路桥梁工程结构设计无法做到规范统一。
发明内容
本发明为解决现有技术存在的问题而提出，其目的是提供一种基于本构关系的铁路桥梁工程结构强度计算方法。
本发明的技术方案是：一种基于本构关系的铁路桥梁工程结构强度计算方法，包括以下步骤：
ⅰ.采用多段线离散方式将不同截面形式转变为任意截面形式。
ⅱ.对于任意截面形式，使用数值分块积分方法将复杂截面离散并计算每一部分的面积、重心轴高度和惯性矩等截面属性。
ⅲ.使用循环计算将步骤ⅱ中各部分截面属性求和得到整个截面的截面属性。
ⅳ.对于钢筋混凝土结构，利用步骤ⅲ得到的截面属性，根据钢筋和混凝土两种材料的本构模型，以两种材料共同变形为基础考虑两种材料的转换关系，通过迭代计算获得截面应力分布状态。
ⅴ.对于预应力混凝土结构，使用步骤ⅲ得到的截面属性，根据钢筋和混凝土材料的本构关系模型，以截面内外力平衡为基础，迭代计算不同受力下截面应力分布状态。
ⅵ.根据步骤ⅳ中截面应力的分布状态，校核所需计算位置应力是否满足限值要求。
ⅶ.根据步骤ⅴ中截面应力的分布状态，对其积分获得结构强度。
步骤ⅳ中截面应力的主要计算指标包括：
对于钢筋混凝土轴心拉/压结构，计算其受拉、受压侧截面正应力。
对于钢筋混凝土受弯结构，计算其受拉、受压侧截面正应力，同时受到剪力作用时，计算其最大剪应力。
对于钢筋混凝土偏心受力结构，计算其受拉、受压侧截面正应力，同时受到剪力作用时，计算其最大剪应力。
步骤ⅶ中结构强度的主要计算指标包括：
对于预应力混凝土轴心拉/压结构，计算其正截面强度。
对于预应力混凝土受弯结构，计算其正截面强度，同时受到剪力作用时，计算其抗剪强度。
对于预应力混凝土偏心受力结构，计算其正截面强度，同时受到剪力作用时，计算其抗剪强度。
对于预应力混凝土结构，计算截面正应力和主应力。
所述钢筋混凝土结构和预应力混凝土结构，在进行结构强度计算时均不考虑混凝土材料的抗拉性能。
所述钢筋混凝土结构有剪力作用时，需要计算截面剪应力，剪应力与作用剪力和截面特性有关，计算结果需与材料容许值进行比较。
所述预应力混凝土结构有剪力作用时，计算其截面抗剪强度并与外力比较。
针对双向受力结构，将两个方向的外力合成，并按合成之后的外力方向将截面旋转，进行截面强度计算。
本发明针对任意截面形式，根据输入的材料参数、截面参数、配筋数据和内力数据，以材料本构关系模型为基础，通过迭代算法获得截面应力分布状态，积分获得结构强度。利用本发明提供的计算方法，可以解决铁路桥梁工程中几乎所有截面形式、复杂配筋情况的单、双向受力结构强度计算问题，弥补设计规范中对这类问题无相关规定的不足。
附图说明
图1 是本发明的流程示意图。
具体实施方式
以下，参照附图和实施例对本发明进行详细说明：
如图1所示，一种基于本构关系的铁路桥梁工程结构强度计算方法，包括以下步骤：
ⅰ.采用多段线离散方式将不同截面形式转变为任意截面形式。
ⅱ.对于任意截面形式，使用数值分块积分方法将复杂截面离散并计算每一部分的面积、重心轴高度和惯性矩等截面属性。
ⅲ.使用循环计算将步骤ⅱ中各部分截面属性求和得到整个截面的截面属性。
ⅳ.对于钢筋混凝土结构，利用步骤ⅲ得到的截面属性，根据钢筋和混凝土两种材料的本构模型，以两种材料共同变形为基础考虑两种材料的转换关系，通过迭代计算获得截面应力分布状态。
ⅴ.对于预应力混凝土结构，使用步骤ⅲ得到的截面属性，根据钢筋和混凝土材料的本构关系模型，以截面内外力平衡为基础，迭代计算不同受力下截面应力分布状态。
ⅵ.根据步骤ⅳ中截面应力的分布状态，校核所需计算位置应力是否满足限值要求。
ⅶ.根据步骤ⅴ中截面应力的分布状态，对其积分获得结构强度。
步骤ⅳ中截面应力的主要计算指标包括：
对于钢筋混凝土轴心拉/压结构，计算其受拉、受压侧截面正应力。
对于钢筋混凝土受弯结构，计算其受拉、受压侧截面正应力，同时受到剪力作用时，计算其最大剪应力。
对于钢筋混凝土偏心受力结构，计算其受拉、受压侧截面正应力，同时受到剪力作用时，计算其最大剪应力。
步骤ⅶ中结构强度的主要计算指标包括：
对于预应力混凝土轴心拉/压结构，计算其正截面强度。
对于预应力混凝土受弯结构，计算其正截面强度，同时受到剪力作用时，计算其抗剪强度。
对于预应力混凝土偏心受力结构，计算其正截面强度，同时受到剪力作用时，计算其抗剪强度。
对于预应力混凝土结构，计算截面正应力和主应力。
所述钢筋混凝土结构和预应力混凝土结构，在进行结构强度计算时均不考虑混凝土材料的抗拉性能。
所述钢筋混凝土结构有剪力作用时，需要计算截面剪应力，剪应力与作用剪力和截面特性有关，计算结果需与材料容许值进行比较。
所述预应力混凝土结构有剪力作用时，计算其截面抗剪强度并与外力比较。
针对双向受力结构，将两个方向的外力合成，并按合成之后的外力方向将截面旋转，进行截面强度计算。
本发明巧妙地将双向受力结构转化为单向受力结构，解决了实际工程中常见但设计规范中并未提及的双向受力问题。
本发明的计算方法可以计算任意配筋形式的结构，而不只是设计规范规定的单层配筋结构，对于多层配筋等复杂配筋情况该发明同样适用。
实施例一
首先，获取结构强度计算所需的截面参数、材料参数、配筋数据和内力数据。
其次，使用数值分块积分方法计算截面特性。截面特性包括截面面积、截面重心轴高度和截面惯性矩。
然后，对于钢筋混凝土结构，计算截面应力分布状态，校核截面应力计算指标是否满足限值要求。有剪力作用时需进行截面剪应力计算并与材料容许值比较。
再后，对于预应力混凝土结构，以截面内外力平衡为基础，迭代计算不同受力状态下截面应力分布状态，对其积分获得结构强度，并校核强度和应力计算指标是否满足要求。有剪力作用时需计算截面抗剪承载力并与外力比较。
最后，对于双向受力的结构，先将两个受力方向的外力合成，再按上述方法进行计算。
本发明针对任意截面形式，根据输入的材料参数、截面参数、配筋数据和内力数据，以材料本构关系模型为基础，通过迭代算法获得截面应力分布状态，积分获得结构强度。利用本发明提供的计算方法，可以解决铁路桥梁工程中几乎所有截面形式、复杂配筋情况的单、双向受力结构强度计算问题，弥补设计规范中对这类问题无相关规定的不足。

Claims (5)

1.一种基于本构关系的铁路桥梁工程结构强度计算方法，其特征在于：包括以下步骤：
（ⅰ）采用多段线离散方式将不同截面形式转变为任意截面形式；
（ⅱ）对于任意截面形式，使用数值分块积分方法将复杂截面离散并计算每一部分的面积、重心轴高度和惯性矩截面属性；
（ⅲ）使用循环计算将步骤（ⅱ）中各部分截面属性求和得到整个截面的截面属性；
（ⅳ）对于钢筋混凝土结构，利用步骤（ⅲ）得到的截面属性，根据钢筋和混凝土两种材料的本构模型，以两种材料共同变形为基础考虑两种材料的转换关系，通过迭代计算获得截面应力分布状态；
（ⅴ）对于预应力混凝土结构，使用步骤（ⅲ）得到的截面属性，根据钢筋和混凝土材料的本构关系模型，以截面内外力平衡为基础，迭代计算不同受力下截面应力分布状态；
（ⅵ）根据步骤（ⅳ）中截面应力的分布状态，校核所需计算位置应力是否满足限值要求；
（ⅶ）根据步骤（ⅴ）中截面应力的分布状态，对其积分获得结构强度；
步骤（ⅳ）中截面应力的主要计算指标包括：
对于钢筋混凝土轴心拉/压结构，计算其受拉、受压侧截面正应力；
对于钢筋混凝土受弯结构，计算其受拉、受压侧截面正应力，同时受到剪力作用时，计算其最大剪应力；
对于钢筋混凝土偏心受力结构，计算其受拉、受压侧截面正应力，同时受到剪力作用时，计算其最大剪应力；
步骤（ⅶ）中结构强度的主要计算指标包括：
对于预应力混凝土轴心拉/压结构，计算其正截面强度；
对于预应力混凝土受弯结构，计算其正截面强度，同时受到剪力作用时，计算其抗剪强度；
对于预应力混凝土偏心受力结构，计算其正截面强度，同时受到剪力作用时，计算其抗剪强度；
对于预应力混凝土结构，计算截面正应力和主应力。
2.根据权利要求1所述的一种基于本构关系的铁路桥梁工程结构强度计算方法，其特征在于：所述钢筋混凝土结构和预应力混凝土结构，在进行结构强度计算时均不考虑混凝土材料的抗拉性能。
3.根据权利要求1所述的一种基于本构关系的铁路桥梁工程结构强度计算方法，其特征在于：所述钢筋混凝土结构有剪力作用时，需要计算截面剪应力，剪应力与作用剪力和截面特性有关，计算结果需与材料容许值进行比较。
4.根据权利要求1所述的一种基于本构关系的铁路桥梁工程结构强度计算方法，其特征在于：所述预应力混凝土结构有剪力作用时，计算其截面抗剪强度并与外力比较。
5.根据权利要求1所述的一种基于本构关系的铁路桥梁工程结构强度计算方法，其特征在于：针对双向受力结构，将两个方向的外力合成，并按合成之后的外力方向将截面旋转，进行截面强度计算。
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