本發(fā)明涉及橋梁，具體地，涉及一種自復(fù)位圓形截面橋墩混凝土配筋設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

1、目前國(guó)內(nèi)外橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范主要采用延性抗震設(shè)計(jì)理念，即在極限設(shè)計(jì)中允許橋墩局部區(qū)域進(jìn)入塑性狀態(tài)生成塑性鉸，通過(guò)塑性鉸區(qū)域內(nèi)的混凝土壓碎和鋼筋屈服來(lái)耗散地震作用于橋梁的能量?；谘有钥拐鹪O(shè)計(jì)理念，橋梁在地震作用后雖不會(huì)發(fā)生坍塌，但塑性鉸區(qū)域結(jié)構(gòu)受到嚴(yán)重破壞產(chǎn)生顯著殘余變形，橋墩修復(fù)難度大且所需時(shí)間和人力成本巨大，殘余變形過(guò)大時(shí)甚至需要拆除重建，造成較大經(jīng)濟(jì)損失并妨礙震后的交通恢復(fù)進(jìn)程。

2、為提高橋梁結(jié)構(gòu)的震后使用功能，快速恢復(fù)交通生命線，橋梁抗震設(shè)計(jì)理念從過(guò)去的延性抗震設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向韌性抗震設(shè)計(jì)，國(guó)內(nèi)外有不少學(xué)者提出了自復(fù)位橋梁結(jié)構(gòu)，該類(lèi)結(jié)構(gòu)能夠通過(guò)外部阻尼器來(lái)耗散地震作用于橋梁的能量并通過(guò)預(yù)應(yīng)力索使橋梁在震后回歸初始位置，即橋梁殘余變形可以忽略不計(jì)。但目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)自復(fù)位橋梁的研究多局限于有限元模擬或者實(shí)驗(yàn)室縮尺模型，采用與傳統(tǒng)延性橋墩相同的配筋設(shè)計(jì)應(yīng)用于自復(fù)位橋墩，未專(zhuān)門(mén)針對(duì)自復(fù)位橋墩開(kāi)發(fā)出與其性能匹配的混凝土配筋設(shè)計(jì)方法，從而難以準(zhǔn)確指導(dǎo)自復(fù)位橋墩在實(shí)際工程中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不利于這一新型抗震橋梁結(jié)構(gòu)的工程推廣和應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種自復(fù)位圓形截面橋墩混凝土配筋設(shè)計(jì)方法。

2、本發(fā)明提供一種自復(fù)位圓形截面橋墩混凝土配筋設(shè)計(jì)方法，該方法包括：

3、獲取自復(fù)位橋墩截面設(shè)計(jì)參數(shù)；

4、設(shè)定混凝土受壓極限應(yīng)變初始值，基于平截面假設(shè)，確定混凝土受壓區(qū)截面任意一點(diǎn)處的應(yīng)變與受壓極限應(yīng)變初始值的關(guān)系表達(dá)式；

5、設(shè)定設(shè)計(jì)截面的縱向鋼筋配筋率初始值，根據(jù)縱向鋼筋配筋率初始值確定縱筋的鋼筋型號(hào)和數(shù)量；

6、基于平截面假設(shè)，確定設(shè)計(jì)截面鋼筋應(yīng)變與混凝土受壓極限應(yīng)變初始值的關(guān)系表達(dá)式；

7、假定混凝土截面圓心與中性軸割線在圓形截面兩側(cè)的端點(diǎn)形成的角度α0，將該角度的一半定義為θ的初始值，根據(jù)θ的初始值確定受壓區(qū)高度；

8、根據(jù)自復(fù)位橋墩混凝土截面豎向受力平衡關(guān)系，通過(guò)迭代方法計(jì)算受力平衡分析結(jié)果收斂后的θ值，并求解該θ值對(duì)應(yīng)下的混凝土受壓區(qū)壓力、受壓鋼筋壓力和受拉鋼筋拉力；

9、根據(jù)混凝土受壓區(qū)壓力、受壓鋼筋壓力和受拉鋼筋拉力，計(jì)算截面的彎矩抗力；

10、校核自復(fù)位橋墩截面鋼筋初始配筋設(shè)計(jì)是否滿足截面的彎矩抗力與截面的設(shè)計(jì)彎矩需求的預(yù)設(shè)關(guān)系；

11、當(dāng)截面的彎矩抗力與截面的設(shè)計(jì)彎矩需求不滿足預(yù)設(shè)關(guān)系時(shí)，修改截面配筋設(shè)計(jì)或者/并且截面尺寸，直至截面的彎矩抗力與截面的設(shè)計(jì)彎矩需求滿足預(yù)設(shè)關(guān)系；

12、當(dāng)截面的彎矩抗力與截面的設(shè)計(jì)彎矩需求滿足預(yù)設(shè)關(guān)系時(shí)，實(shí)現(xiàn)縱筋配筋設(shè)計(jì)。

13、進(jìn)一步地，所述獲取自復(fù)位橋墩截面設(shè)計(jì)參數(shù)，包括：獲取橋墩混凝土材料抗壓強(qiáng)度f(wàn)'c、鋼筋屈服強(qiáng)度f(wàn)y、橋墩截面直徑d、混凝土保護(hù)層厚度ccover、自復(fù)位橋墩設(shè)計(jì)截面處的軸向壓力pu、截面的設(shè)計(jì)彎矩需求mu以及截面設(shè)計(jì)剪力需求vu。

14、進(jìn)一步地，所述混凝土受壓區(qū)截面任意一點(diǎn)處的壓應(yīng)力與該處應(yīng)變以及對(duì)應(yīng)fc’的應(yīng)變的關(guān)系表達(dá)式為：

15、式中，σc為混凝土受壓區(qū)截面任意一點(diǎn)處的壓應(yīng)力，εc0為混凝土應(yīng)力應(yīng)變模型中對(duì)應(yīng)fc’的應(yīng)變，εc為混凝土抗壓區(qū)該點(diǎn)的應(yīng)變。

16、進(jìn)一步地，所述根據(jù)縱向鋼筋配筋率初始值確定縱筋的鋼筋型號(hào)和數(shù)量，其中：ρ0·a＝n·as；

17、式中，ρ0為設(shè)計(jì)截面的縱向鋼筋配筋率初始值，as為單個(gè)鋼筋截面面積，a為設(shè)計(jì)截面的截面面積，n為鋼筋數(shù)量。

18、進(jìn)一步地，所述確定設(shè)計(jì)截面鋼筋應(yīng)變與混凝土受壓極限應(yīng)變初始值的關(guān)系表達(dá)式，其中，設(shè)計(jì)截面鋼筋應(yīng)變與混凝土受壓極限應(yīng)變初始值的關(guān)系表達(dá)式為：同時(shí)εs滿足：∣εs∣≤εy；

19、式中，εs為設(shè)計(jì)截面鋼筋應(yīng)變，εs計(jì)算值為正代表拉應(yīng)變，計(jì)算值為負(fù)代表壓應(yīng)變；ε’c0為混凝土受壓極限應(yīng)變初始值，dc為混凝土極限受壓邊緣纖維至鋼筋的距離，根據(jù)混凝土保護(hù)層厚度ccover得到；c為混凝土受壓區(qū)的高度，εy為鋼筋屈服點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變。

20、進(jìn)一步地，所述根據(jù)θ的初始值確定受壓區(qū)高度，其中，受壓區(qū)高度c的計(jì)算公式為：

21、進(jìn)一步地，所述根據(jù)自復(fù)位橋墩混凝土截面豎向受力平衡關(guān)系，通過(guò)迭代方法計(jì)算受力平衡分析結(jié)果收斂后的θ值，并求解該θ值對(duì)應(yīng)下的混凝土受壓區(qū)壓力、受壓鋼筋壓力和受拉鋼筋拉力，其中：

22、自復(fù)位橋墩混凝土截面豎向受力平衡關(guān)系表達(dá)式為：

23、cc+cs-ts＝pu

24、式中，cc為混凝土受壓區(qū)壓力，cc＝∫σcdac，σc為混凝土受壓區(qū)截面任意一點(diǎn)處的壓應(yīng)力，ac為混凝土受壓區(qū)面積；cs為受壓鋼筋壓力，cs＝∑esasε's；ts為受拉鋼筋拉力，ts＝∑esasεs；es為鋼筋彈性模量，as為單根鋼筋面積，εs'為受壓區(qū)單根鋼筋對(duì)應(yīng)的壓應(yīng)變；

25、通過(guò)數(shù)學(xué)軟件進(jìn)行數(shù)值求解或者手工試錯(cuò)迭代求解平衡關(guān)系表達(dá)式中的θ。

26、進(jìn)一步地，所述截面的彎矩抗力φmn的計(jì)算公式為：φmn＝∫σc·δac·xc+∑esasε′sdcs+∑esasεsdts；

27、式中，xc為混凝土受壓區(qū)積分表達(dá)式中該截面面積變分形心至截面中性軸的距離，dcs為指定受壓鋼筋形心至截面中性軸的距離，dts為指定受拉鋼筋形心至截面中性軸的距離。

28、進(jìn)一步地，所述校核自復(fù)位橋墩截面鋼筋初始配筋設(shè)計(jì)是否滿足截面的彎矩抗力與截面的設(shè)計(jì)彎矩需求的預(yù)設(shè)關(guān)系，包括：

29、若φmn<mu，則增加設(shè)計(jì)截面的縱向鋼筋配筋率，同時(shí)控制鋼筋受拉最大應(yīng)變不超過(guò)鋼筋屈服應(yīng)變的1.5倍；

30、若增加截面配筋率仍不能滿足φmn≥mu時(shí)，則增大混凝土受壓極限應(yīng)變初始值，但不得超過(guò)0.002；

31、若增大混凝土受壓極限應(yīng)變初始值仍不能滿足φmn≥mu時(shí)，則增大自復(fù)位橋墩截面；

32、反之，若φmn>1.5mu，則優(yōu)先考慮降低設(shè)計(jì)截面的縱向鋼筋配筋率；如果計(jì)算結(jié)果仍是φmn>1.5mu，則減小截面面積。

33、進(jìn)一步地，在所述實(shí)現(xiàn)縱筋配筋設(shè)計(jì)之后，還包括箍筋設(shè)計(jì)，所述箍筋設(shè)計(jì)包括以下步驟：

34、確定自復(fù)位橋墩開(kāi)合面上方和下方的混凝土高度；

35、對(duì)于自復(fù)位橋墩開(kāi)合面上方和下方的混凝土區(qū)域，箍筋設(shè)計(jì)滿足：

36、

37、式中，ρs為箍筋的體積率，asp為箍筋截面面積，dc為箍筋包裹核心外表面直徑，s為箍筋間距，f'c為橋墩混凝土材料抗壓強(qiáng)度，fyh為箍筋屈服強(qiáng)度；

38、對(duì)于自復(fù)位橋墩墩柱除開(kāi)合面上方和下方混凝土區(qū)域的其它位置，箍筋設(shè)計(jì)滿足：vu≤φvn＝φ(vc+vs)，

39、式中，vu為截面設(shè)計(jì)剪力需求，vn為截面抗剪強(qiáng)度，φ為抗力系數(shù)，vc和vs分別為混凝土和箍筋各自的抗剪貢獻(xiàn)。

40、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下至少之一的有益效果：

41、1、本發(fā)明提供的自復(fù)位圓形截面橋墩混凝土配筋設(shè)計(jì)方法，可根據(jù)自復(fù)位橋墩設(shè)計(jì)截面位置處的彎矩，求解滿足自復(fù)位橋墩性能需求的鋼筋配筋設(shè)計(jì)，用以實(shí)現(xiàn)自復(fù)位橋墩的工程設(shè)計(jì)，能夠避免傳統(tǒng)延性橋墩的設(shè)計(jì)方法造成自復(fù)位橋墩的配筋設(shè)計(jì)不能滿足自復(fù)位橋梁的抗震需求，或者配筋過(guò)于保守而增加自復(fù)位橋梁的工程造價(jià)等問(wèn)題，本發(fā)明有利于推動(dòng)自復(fù)位橋梁的推廣。

42、2、本發(fā)明旨在對(duì)自復(fù)位橋梁初步設(shè)計(jì)過(guò)程中獲取自復(fù)位橋墩所需采用的配筋設(shè)計(jì)，有助于設(shè)計(jì)人員在后續(xù)分析設(shè)計(jì)中較為準(zhǔn)確地選定自復(fù)位橋墩截面屬性特征；而且能夠?qū)ψ詮?fù)位橋梁設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化篩選，降低后續(xù)分析設(shè)計(jì)的工作量，提高了設(shè)計(jì)人員的工作效率；并配合后續(xù)分析設(shè)計(jì)的結(jié)果，保證最終方案選擇的準(zhǔn)確與結(jié)構(gòu)安全。