【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及橋梁結構健康監測，尤其是一種考慮雙向隨機偏心的橋墩壓彎可靠性分析方法。
技術介紹
1、橋墩作為橋梁承重的關鍵部件，往往是最薄弱的環節。橋墩安全性可以通過可靠性指標進行評估。可靠指標求解方法主要包括一次二階矩法、二次二階矩法、monte?carlo法。一次二階矩法是求解可靠性指標的一種簡便快捷方法，該方法僅考慮基本隨機變量的均值和方差，將功能函數展開成taylor級數并保留至一次項，使用包含一次項的taylor級數作為極限狀態面的切平面。一次二階矩法由于計算簡便被廣泛應用。
2、橋梁在施工期間以及運營期間施工荷載、風荷載、汽車荷載和自重等荷載會對橋墩產生軸力和彎矩效應。由于施工荷載、風荷載、汽車荷載和自重等荷載分布類型不同，導致軸力和彎矩并不完全相關，那么軸向力偏心具有不確定性。所以，在進行橋墩可靠性分析時需要考慮雙向偏心的不確定性。
3、若采用固定偏心距思路即假定彎矩和軸力完全相關進行橋墩雙向偏心受壓可靠性分析，難以獲得準確的可靠性指標；此外橋墩在受到雙向壓彎作用時，兩個方向的彎矩耦合降低了橋墩的承載力，僅考慮單向偏心受壓會得到不安全的計算結果。橋墩雙向壓彎承載力可以使用倪克勤公式或荷載等值線法進行求解，在使用倪克勤公式或荷載等值線法建立功能函數時由于具有較強的非線性，對隨機變量求解偏導數較為困難，難以使用傳統的一次二階矩法求解可靠指標。
技術實現思路
1、本專利技術的目的是根據上述現有技術的不足，提供了一種考慮雙向隨機偏心的橋墩壓彎可靠性分析
2、本專利技術目的實現由以下技術方案完成：
3、一種考慮雙向隨機偏心的橋墩壓彎可靠性分析方法，具體步驟如下：
4、步驟1、求解荷載作用下橋墩荷載效應。
5、步驟2、確定鋼筋混凝土橋墩的材料特性、幾何特性、外部荷載分布特征。
6、步驟3、求解橋墩軸心受壓承載力與單軸壓彎承載力。
7、步驟3.1、利用鋼筋與混凝土本構關系，通過改變中性軸的位置求解一組位于單向壓彎破壞曲線上的離散點。
8、步驟3.2、采用三次樣條插值構造通過離散點的連續的單軸壓彎曲線，利用單軸壓彎曲線求解橋墩軸心受壓承載力與單向壓彎承載力。
9、步驟4、通過軸心受壓承載力、單向壓彎承載力和橋墩荷載效應建立功能函數。
10、步驟5、建立基于sa-ga的可靠指標求解方法。
11、步驟5.1、使用外罰函數法將可靠指標求解問題轉化為無約束最優化問題。
12、
13、式中β為可靠指標；r為罰因子，是一個大于0的實數；nu0為軸心受壓承載力；nux、nuy分別是軸向力n作用于相互垂直的對稱軸x軸、y軸并考慮相應計算偏心距ex、ey后計算的單向偏壓承載力設計值。
14、步驟5.2、采用遺傳算法(genetic?algorithm,ga)為主體流程，引入模擬退火算法(simulatedannealing,sa)用以進一步調整優化群體，建立sa-ga進行可靠指標求解。
15、進一步的，所述步驟1中，橋墩荷載效應可以通過有限元建模等方式進行求解。
16、進一步的，所述步驟3.1中，鋼筋與混凝土本構關系如式(2)～式(7)所示，
17、對于混凝土：
18、當εc≤ε0時：
19、
20、當ε0＜εc≤εcu時：
21、σc＝fc(3)
22、
23、ε0＝0.002+0.5(fcu,k-50)×10-5?(5)
24、εcu＝0.0033-(fcu,k-50)×10-5?(6)
25、式中σc為混凝土壓應變為εc時的混凝土壓應力；fc為混凝土軸心抗壓強度設計值；ε0為混凝土壓應力剛達到fc時的混凝土壓應變，當ε0＜0.002時，ε0＝0.002；εcu為正截面的混凝土極限壓應變，當處于非均勻受壓且計算的εcu＞0.003時，εcu＝0.003；軸心受壓時，εcu＝ε0；fcu,k為混凝土立方體抗壓強度標準值；n為系數，當計算系數n＞2.0時，n取2.0。
26、對于鋼筋：
27、
28、式中es為鋼筋彈性模量，fy為鋼筋抗拉強度設計值，εs為鋼筋應變。
29、單向壓彎承載力和軸心受壓承載力可由式(8)～式(9)進行計算，
30、軸力承載力：
31、
32、對截面h/2位置取矩，可得鋼筋混凝土截面彎矩承載力：
33、
34、式中等式右邊第1項為混凝土應變為ε0＜ε≤εcu時引起的軸向和彎曲抗力；第2項為混凝土應變為0＜ε≤ε0時引起的軸向和彎曲抗力，第3項為考慮鋼筋作用引起的軸向和彎曲抗力。xε0＝c-cε0/εcu為混凝土應變達到ε0時對應的x軸坐標，xεcu為混凝土應變達到εcu時對應的x軸坐標，xεcu＝0；ε(x)為坐標x處混凝土應變，ε(x)＝(c-x)εcu/c；σs,k為第k根鋼筋應力。
35、當c＝0時，鋼筋混凝土截面處于軸心受拉狀態，截面承載能力完全由鋼筋提供；當c增大至混凝土截面下緣應力達到ε0，即cmax＝εcuh0/(εcu-ε0)時，可以認為截面軸心受壓，此時式(8)、式(9)變為：
36、
37、進一步的，所述步驟4中，功能函數如下式所示，
38、
39、式中r為鋼筋混凝土橋墩截面抗力，與鋼筋混凝土橋墩材料特性和幾何特性有關，材料特性包括混凝土的抗壓強度fc、鋼筋抗拉強度fy、鋼筋彈性模量es，幾何特征包括鋼筋混凝土柱長度h、寬度b、第k根鋼筋的截面面積as,k、第k鋼筋沿x軸和y軸的位置xs,k和ys,k；f＝(n,mx,my)t，n為鋼筋混凝土柱受到的軸向力，mx、my分別為x軸、y軸方向上的彎矩。
40、鋼筋混凝土橋墩荷載效應可通過式(13)求解：
41、
42、式中向量q的每個分量均代表一個外部荷載分量，為簡便計算，其標準值歸一化為1；矩陣k的每個分量為相應荷載取標準值時產生的荷載效應，ea,x、ea,y為偏心方向x、y的附加偏心距，取20mm和偏心方向截面尺寸的1/30兩者的較大值。
43、進一步的，所述步驟5.2中，交叉概率和變異是影響ga性能的兩個主要參數，若取值過大會破壞已有較好的模式，若取值過小，產生新個體的速度可能太慢，故根據進化代數自適應調整和，其公式如式(14)、本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種考慮雙向隨機偏心的橋墩壓彎可靠性分析方法，其特征在于：包括如下步驟：
2.根據權利要求1所述的一種考慮雙向隨機偏心的橋墩壓彎可靠性分析方法，其特征在于：在S3中，所述橋墩為鋼筋混凝土橋墩，利用鋼筋與混凝土之間的本構關系，通過改變中性軸的位置求解一組位于單向壓彎破壞曲線上的離散點；采用三次樣條插值構造通過離散點的連續的單軸壓彎曲線，利用單軸壓彎曲線求解所述橋墩的軸心受壓承載力與單向壓彎承載力。
3.根據權利要求1所述的一種考慮雙向隨機偏心的橋墩壓彎可靠性分析方法，其特征在于：在S5中，使用外罰函數法將可靠指標求解問題轉化為無約束最優化問題；采用遺傳算法為主體流程，引入模擬退火算法用以進一步調整優化群體，建立SA-GA進行可靠性指標求解。
4.根據權利要求4所述的一種考慮雙向隨機偏心的橋墩壓彎可靠性分析方法，其特征在于：所述外罰函數為：
5.根據權利要求1所述的一種考慮雙向隨機偏心的橋墩壓彎可靠性分析方法，其特征在于：在S1中，所述橋墩荷載效應可以通過有限元建模進行求解。
6.根據權利要求1所述的一種考慮雙向隨機偏心
...【技術特征摘要】
1.一種考慮雙向隨機偏心的橋墩壓彎可靠性分析方法，其特征在于：包括如下步驟：
2.根據權利要求1所述的一種考慮雙向隨機偏心的橋墩壓彎可靠性分析方法，其特征在于：在s3中，所述橋墩為鋼筋混凝土橋墩，利用鋼筋與混凝土之間的本構關系，通過改變中性軸的位置求解一組位于單向壓彎破壞曲線上的離散點；采用三次樣條插值構造通過離散點的連續的單軸壓彎曲線，利用單軸壓彎曲線求解所述橋墩的軸心受壓承載力與單向壓彎承載力。
3.根據權利要求1所述的一種考慮雙向隨機偏心的橋墩壓彎可靠性分析方法，其特征在于：在s5中，使用外罰函...
【專利技術屬性】
技術研發人員：劉鋒，王越先，戴術寶，徐作林，唐建章，劉光宇，周志遠，劉思于，郭風，
申請(專利權)人：中鐵二十四局集團有限公司，
類型：發明
國別省市：
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