CN110362851A - 防落梁效果的估计方法及装置 - Google Patents

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潘德雄
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吕晓宇
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Abstract

本发明提供了一种防落梁效果的估计方法及装置，其中该方法包括：根据目标桥墩结构，建立动力空间计算模型；将边界条件输入至所述动力空间计算模型，确定第一参数模型；将碰撞模拟条件输入至所述第一参数模型，确定第二参数模型；将实际地震波数据输入所述第二参数模型，确定所述目标桥墩结构的防落梁效果。本发明通过三阶段建模确定最终的碰撞模拟模型，能够对实际地震波数据的防落梁效果进行有效准确的评估。

Description

防落梁效果的估计方法及装置
技术领域
本发明涉及地震估计领域，尤其涉及一种防落梁效果的估计方法及装置。
背景技术
我国属于地震多发国家，地震频繁发生，8度以上地震也时有发生，桥梁结构在强烈地震发生后损伤严重。从历次强震记录灾害调查结果来看，桥梁上部结构自身因直接地震动力效应而毁坏的现象极为少见，但因支承搁置长度不足、支承连接件失效等引起的落梁、主梁的移动、扭曲和裂缝等现象常有发生，其中落梁现象极为严重。主梁在顺桥向发生坠落时撞击桥墩或桥台，给下部结构带来很大的破坏，有可能造成更大的震害。
目前常用的防落梁装置主要是限位装置，其作用原理是限制墩和梁的相对位移，从而防止地震下发生落梁破坏。限位装置主要是限制墩和梁的相对位移，从而防止地震下发生落梁破坏，典型的限位装置主要有缆索限位装置如图1(a)所示，阻挡型限位装置如图1(b)所示。
许多学者对缆索限位装置的设计方法，控制墩和梁相对位移的效果进行了研究，取得了一些研究成果。但阻挡型限位装置在我国作为常用一种防落构造措施，没有合理的响应估计，难以对其防落梁效果进行有效评估。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的在于提供一种防落梁效果的估计方法及装置，以解决上述的至少一项技术问题。
(二)技术方案
本发明实施例提供了一种防落梁效果的估计方法，包括：
根据目标桥墩结构，建立动力空间计算模型；
将边界条件输入至所述动力空间计算模型，确定第一参数模型；
将碰撞模拟条件输入至所述第一参数模型，确定第二参数模型；
将实际地震波数据输入所述第二参数模型，确定所述目标桥墩结构的防落梁效果。
在本发明的一些实施例中，所述动力空间计算模型以顺桥向为X轴，横桥向为Y轴，竖向为Z轴；主梁和桥墩均采用空间梁单元进行模拟，桥墩承台下的桩基采用耦合6弹簧模拟；单元的质量采用集中质量代表，混凝土结构的阻尼比的取值为1％～2％。
在本发明的一些实施例中，将边界条件输入至所述动力空间计算模型，确定第一参数模型，包括步骤：
对于墩顶的固定支座，假定地震作用下不发生破坏，纵横向均采用铰接固定，得到所述第一参数模型；
对于墩顶采用滑动支座的，考虑梁底与支座顶的摩擦，用双线性单元模拟，得到所述第一参数模型；
对于墩顶的板式支座，假定地震作用下不发生破坏，保持弹性状态，采用线性弹簧单元模拟，得到所述第一参数模型，弹簧刚度K0为支座橡胶层的剪切刚度。
在本发明的一些实施例中，将碰撞模拟条件输入至所述第一参数模型，确定第二参数模型，包括步骤：
当相邻联桥梁发生非同向振动时，采用Kelvin碰撞模型模拟相邻联梁体的碰撞，即用一个刚度为Kk的线性弹簧与阻尼器Ck并联来模拟伸缩处相邻梁体间的碰撞，得到所述第二参数模型；
对于限位装置接触面的碰撞采用Kelvin碰撞模型模拟限位装置接触面的碰撞，得到所述第二参数模型。
在本发明的一些实施例中，所述实际地震波数据包括各地地震局地震波数据库的实际地震加速度记录。
本发明实施例还提供了一种防落梁效果的估计装置，包括：
动力空间计算模型构建单元，用于根据目标桥墩结构，建立动力空间计算模型；
第一参数模型构建单元，用于将边界条件输入至所述动力空间计算模型，确定第一参数模型；
第二参数模型构建单元，用于将碰撞模拟条件输入至所述第一参数模型，确定第二参数模型；
防落梁效果单元，用于将实际地震波数据输入所述第二参数模型，确定所述目标桥墩结构的防落梁效果。
在本发明的一些实施例中，所述动力空间计算模型以顺桥向为X轴，横桥向为Y轴，竖向为Z轴；主梁和桥墩均采用空间梁单元进行模拟，桥墩承台下的桩基采用耦合6弹簧模拟；单元的质量采用集中质量代表，混凝土结构的阻尼比的取值为1％～2％。
在本发明的一些实施例中，所述第一参数模型构建单元将碰撞模拟条件输入至所述第一参数模型，确定第一参数模型，指：
对于墩顶的固定支座，第一参数模型构建单元假定地震作用下不发生破坏，纵横向均采用铰接固定，得到所述第一参数模型；
对于墩顶采用滑动支座的，考虑梁底与支座顶的摩擦，用双线性单元模拟，得到所述第一参数模型；
对于墩顶的板式支座，第一参数模型构建单元假定地震作用下不发生破坏，保持弹性状态，采用线性弹簧单元模拟，得到所述第一参数模型，弹簧刚度K0为支座橡胶层的剪切刚度。
在本发明的一些实施例中，第二参数模型构建单元，用于将碰撞模拟条件输入至所述第一参数模型，确定第二参数模型，指：
当相邻联桥梁发生非同向振动时，第二参数模型构建单元采用Kelvin碰撞模型模拟相邻联梁体的碰撞，即用一个刚度为Kk的线性弹簧与阻尼器Ck并联来模拟伸缩处相邻梁体间的碰撞，得到所述第二参数模型；
对于限位装置接触面的碰撞，第二参数模型构建单元采用Kelvin碰撞模型模拟限位装置接触面的碰撞，得到所述第二参数模型。
在本发明的一些实施例中，所述实际地震波数据指各地地震局地震波数据库的实际地震加速度记录。
(三)有益效果
本发明的防落梁效果的估计方法及装置，相较于现有技术，至少具有以下优点：
对目标桥墩结构进行三阶段建模，得到最终的碰撞模拟模型，提高了模型对防落梁效果的估计准确率，能够对阻挡型限位装置的防落梁效果进行有效估计。
附图说明
图1(a)为现有技术的缆索限位装置的示意图；
图1(b)为现有技术的阻挡型限位装置的示意图；
图2为本发明实施例的防落梁效果的估计方法的步骤示意图；
图3为模型中临界滑动力的计算示意图；
图4为本发明实施例的防落梁效果的估计装置的结构示意图。
具体实施方式
现有技术中，难以对阻挡型限位装置的防落梁效果进行有效评估，有鉴于此，本发明提供了一种防落梁效果的估计方法及装置，对目标桥墩结构进行三阶段建模，得到最终的碰撞模拟模型，提高了模型对防落梁效果的估计准确率，能够对阻挡型限位装置的防落梁效果进行有效估计。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明实施例提供了一种防落梁效果的估计方法，如图2所示，该方法包括以下步骤：
S1、根据目标桥墩结构，建立动力空间计算模型；
S2、将边界条件输入至所述动力空间计算模型，确定第一参数模型；
S3、将碰撞模拟条件输入至所述第一参数模型，确定第二参数模型；
S4、将实际地震波数据输入所述第二参数模型，确定所述目标桥墩结构的防落梁效果。
以下将对各步骤进行详细说明。
在步骤S1中，主要采用Sap2000有限元程序建立动力空间计算模型，该建立动力空间计算模型的总体坐标以顺桥向为X轴，横桥向为Y轴，竖向为Z轴；主梁和桥墩均采用空间梁单元进行模拟，桥墩承台下的桩基采用耦合6弹簧模拟；单元的质量采用集中质量代表，混凝土结构的阻尼比的取值优选为1％～2％。
步骤S2主要包括以下子步骤：
S21、对于墩顶的固定支座，假定地震作用下不发生破坏，纵横向均采用铰接固定，得到所述第一参数模型；
对于墩顶采用滑动支座的，考虑梁底与支座顶的摩擦，用双线性单元模拟，得到所述第一参数模型；
更具体地，对于墩顶的固定支座，假定地震作用下不发生破坏，纵横向均采用铰接固定；对于墩顶采用滑动支座的，考虑梁底与支座顶的摩擦，用双线性单元模拟，如图3所示，模型中临界滑动力Fy计算式如下：
Fy＝μN，式中：N为支座的恒载竖向反力；μ为摩擦系数，可以取为0.02；
S22、对于墩顶的板式支座，假定地震作用下不发生破坏，保持弹性状态，采用线性弹簧单元模拟，得到所述第一参数模型，弹簧刚度K0为支座橡胶层的剪切刚度。
在步骤S3中，包括步骤S31和S32：
S31、对于伸缩处相邻梁体间的碰撞，进行以下处理，由此得到所述第二参数模型：
当相邻联桥梁发生非同向振动时，可能导致伸缩处相邻梁体的碰撞。采用Kelvin碰撞模型模拟相邻联梁体的碰撞，即用一个刚度为Kk的线性弹簧与阻尼器Ck并联来模拟伸缩处相邻梁体间的碰撞，其接触力Fc的计算式为：
式中：Kk为接触刚度；u1，u2为接触单元连接的2个质点位移；为接触单元连接的2个质点速度；Ck为阻尼系数，阻尼代表碰撞过程中的能量损失，阻尼的大小与碰撞过程的恢复系数e有关，对于完全弹性碰撞，恢复系数e＝0；完全塑性碰撞，恢复系数e＝1；对于混凝土材料建议e取0.65。根据恢复系数，可得到阻尼计算式：
式中：m1和m2为接触单元连接的2个质点质量。
在模拟伸缩处相邻梁体间的碰撞时，Kk取梁体的轴向刚度；d0取伸缩缝间隙；u1和u2分别为伸缩缝处相邻联梁体的位移；和分别为伸缩缝处相邻联梁体的速度；恢复系数e取0.65；m1，m2分别为伸缩缝相邻联梁体的质量。
S32、对于限位装置接触面的碰撞，进行以下处理，从而得到所述第二参数模型：
对于限位装置接触面的碰撞同样采用Kelvin碰撞模型模拟。Kk取挡块纵向刚度；d0取限位装置与过渡墩间隙，；u1和u2分别为计算联梁体与过渡墩墩顶位移；u1和u2分别为计算联梁体与过渡墩墩顶速度；m1，m2分别为计算联梁体质量和过渡墩的等效质量。
在步骤S4中，将实际地震波数据输入所述第二参数模型，确定所述目标桥墩结构的防落梁效果。
其中，所述实际地震波数据包括各地地震局地震波数据库的实际地震加速度记录，由此，可以得到更精准的防落梁效果。
本发明实施例还提供了一种防落梁效果的估计装置，如图4所示，该装置包括：
动力空间计算模型构建单元，用于根据目标桥墩结构，建立动力空间计算模型；
第一参数模型构建单元，用于将边界条件输入至所述动力空间计算模型，确定第一参数模型；
第二参数模型构建单元，用于将碰撞模拟条件输入至所述第一参数模型，确定第二参数模型；
防落梁效果单元，用于将实际地震波数据输入所述第二参数模型，确定所述目标桥墩结构的防落梁效果。
防落梁效果单元，用于将实际地震波数据输入所述碰撞模拟模型，确定所述目标桥墩结构的防落梁效果。
在动力空间计算模型构建单元中，主要采用Sap2000有限元程序建立动力空间计算模型，所述动力空间计算模型以顺桥向为X轴，横桥向为Y轴，竖向为Z轴；主梁和桥墩均采用空间梁单元进行模拟，桥墩承台下的桩基采用耦合6弹簧模拟；单元的质量采用集中质量代表，混凝土结构的阻尼比的取值可以为1％～2％。
在第一参数模型构建单元中，对于墩顶的固定支座，假定地震作用下不发生破坏，纵横向均采用铰接固定；对于墩顶采用滑动支座的，考虑梁底与支座顶的摩擦，用双线性单元模拟；
如图3所示，模型中临界滑动力Fy计算式如下：
Fy＝μN，式中：N为支座的恒载竖向反力；μ为摩擦系数，可以取为0.02；
对于其他墩顶的板式支座，假定地震作用下不发生破坏，保持弹性状态，采用线性弹簧单元模拟，弹簧刚度K0为支座橡胶层的剪切刚度。
在第二参数模型构建单元中，当相邻联桥梁发生非同向振动时，采用Kelvin碰撞模型模拟相邻联梁体的碰撞，即用一个刚度为Kk的线性弹簧与阻尼器Ck并联来模拟伸缩处相邻梁体间的碰撞，即用一个刚度为Kk的线性弹簧与阻尼器Ck并联来模拟其碰撞，其接触力Fc的计算式为：
式中：Kk为接触刚度；u1，u2为接触单元连接的2个质点位移；为接触单元连接的2个质点速度；Ck为阻尼系数，阻尼代表碰撞过程中的能量损失，阻尼的大小与碰撞过程的恢复系数e有关，对于完全弹性碰撞，恢复系数e＝0；完全塑性碰撞，恢复系数e＝1；对于混凝土材料建议e取0.65。根据恢复系数，可得到阻尼计算式：
式中：m1和m2为接触单元连接的2个质点质量。
在模拟伸缩处相邻梁体间的碰撞时，Kk取梁体的轴向刚度；d0取伸缩缝间隙；u1和u2分别为伸缩缝处相邻联梁体的位移；和分别为伸缩缝处相邻联梁体的速度；恢复系数e取0.65；m1，m2分别为伸缩缝相邻联梁体的质量。
在第二参数模型构建单元中，对于限位装置接触面的碰撞采用Kelvin碰撞模型模拟限位装置接触面的碰撞，Kk取挡块纵向刚度；d0取限位装置与过渡墩间隙；u1和u2分别为计算联梁体与过渡墩墩顶位移；和分别为计算联梁体与过渡墩墩顶速度；m1，m2分别为计算联梁体质量和过渡墩的等效质量。
在防落梁效果单元中，所述实际地震波数据包括各地地震局地震波数据库的实际地震加速度记录。
综上，本发明的防落梁效果的估计方法及装置，对目标桥墩结构进行三阶段建模，得到最终的碰撞模拟模型，提高了模型对防落梁效果的估计准确率，能够对阻挡型限位装置的防落梁效果进行有效估计。
除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本发明的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到“约”的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。
再者，“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种防落梁效果的估计方法，包括：
根据目标桥墩结构，建立动力空间计算模型；
将边界条件输入至所述动力空间计算模型，确定第一参数模型；
将碰撞模拟条件输入至所述第一参数模型，确定第二参数模型；
将实际地震波数据输入所述第二参数模型，确定所述目标桥墩结构的防落梁效果。
2.根据权利要求1所述的防落梁效果的估计方法，其中，所述动力空间计算模型以顺桥向为X轴，横桥向为Y轴，竖向为Z轴；主梁和桥墩均采用空间梁单元进行模拟，桥墩承台下的桩基采用耦合6弹簧模拟；单元的质量采用集中质量代表，混凝土结构的阻尼比的取值为1％～2％。
3.根据权利要求1所述的防落梁效果的估计方法，其中，将边界条件输入至所述动力空间计算模型，确定第一参数模型，包括步骤：
对于墩顶的固定支座，假定地震作用下不发生破坏，纵横向均采用铰接固定，得到所述第一参数模型；
对于墩顶采用滑动支座的，考虑梁底与支座顶的摩擦，用双线性单元模拟，得到所述第一参数模型；
对于墩顶的板式支座，假定地震作用下不发生破坏，保持弹性状态，采用线性弹簧单元模拟，得到所述第一参数模型，弹簧刚度K0为支座橡胶层的剪切刚度。
4.根据权利要求1所述的防落梁效果的估计方法，其中，将碰撞模拟条件输入至所述第一参数模型，确定第二参数模型，包括步骤：
当相邻联桥梁发生非同向振动时，采用Kelvin碰撞模型模拟相邻联梁体的碰撞，即用一个刚度为Kk的线性弹簧与阻尼器Ck并联来模拟伸缩处相邻梁体间的碰撞，得到所述第二参数模型；
对于限位装置接触面的碰撞采用Kelvin碰撞模型模拟限位装置接触面的碰撞，得到所述第二参数模型。
5.根据权利要求1所述的防落梁效果的估计方法，其中，所述实际地震波数据包括各地地震局地震波数据库的实际地震加速度记录。
6.一种防落梁效果的估计装置，包括：
动力空间计算模型构建单元，用于根据目标桥墩结构，建立动力空间计算模型；
第一参数模型构建单元，用于将边界条件输入至所述动力空间计算模型，确定第一参数模型；
第二参数模型构建单元，用于将碰撞模拟条件输入至所述第一参数模型，确定第二参数模型；
防落梁效果单元，用于将实际地震波数据输入所述第二参数模型，确定所述目标桥墩结构的防落梁效果。
7.根据权利要求6所述的防落梁效果的估计装置，其中，所述动力空间计算模型以顺桥向为X轴，横桥向为Y轴，竖向为Z轴；主梁和桥墩均采用空间梁单元进行模拟，桥墩承台下的桩基采用耦合6弹簧模拟；单元的质量采用集中质量代表，混凝土结构的阻尼比的取值为1％～2％。
8.根据权利要求6所述的防落梁效果的估计装置，其中，所述第一参数模型构建单元将碰撞模拟条件输入至所述第一参数模型，确定第一参数模型，指：
对于墩顶的固定支座，第一参数模型构建单元假定地震作用下不发生破坏，纵横向均采用铰接固定，得到所述第一参数模型；
对于墩顶采用滑动支座的，考虑梁底与支座顶的摩擦，用双线性单元模拟，得到所述第一参数模型；
对于墩顶的板式支座，第一参数模型构建单元假定地震作用下不发生破坏，保持弹性状态，采用线性弹簧单元模拟，得到所述第一参数模型，弹簧刚度K0为支座橡胶层的剪切刚度。
9.根据权利要求6所述的防落梁效果的估计装置，其中，第二参数模型构建单元，用于将碰撞模拟条件输入至所述第一参数模型，确定第二参数模型，指：
当相邻联桥梁发生非同向振动时，第二参数模型构建单元采用Kelvin碰撞模型模拟相邻联梁体的碰撞，即用一个刚度为Kk的线性弹簧与阻尼器Ck并联来模拟伸缩处相邻梁体间的碰撞，得到所述第二参数模型；
对于限位装置接触面的碰撞，第二参数模型构建单元采用Kelvin碰撞模型模拟限位装置接触面的碰撞，得到所述第二参数模型。
10.根据权利要求6所述的防落梁效果的估计装置，其中，所述实际地震波数据指各地地震局地震波数据库的实际地震加速度记录。
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CN113177339A (zh) * 2021-04-28 2021-07-27 西南交通大学 一种地震-风-浪-车-桥耦合振动分析方法

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