(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210525493.5 (22)申请日 2022.05.16 (66)本国优先权数据 202210514327.5 202 2.05.12 CN (71)申请人 长沙市规划设计院有限责任公司 地址 410000 湖南省长 沙市芙蓉区东岸街 道人民东路469号长房东云台花园商 业S2栋101 申请人 中铁建工集团有限公司 (72)发明人 常柱刚　罗晓光　成丕富　黄天立　 王正军　丁磊　 (74)专利代理 机构 长沙市融智专利事务所(普 通合伙) 43114 专利代理师 蒋太炜(51)Int.Cl. G06F 30/13(2020.01) G06F 30/23(2020.01) (54)发明名称 一种基于空间拉压杆模型的独柱墩帽梁结 构设计方法 (57)摘要 本发明涉及一种基于空间拉压杆模型的独 柱墩帽梁结构设计方法。 本发明方法首先建立了 一种针对独柱墩帽梁的空间拉压杆模型的基本 构型； 然后将该基本构型采用独柱墩帽梁中6个 结构尺寸进行参数化表达。 基于最小能量法则， 建立起独柱墩帽梁的参数化表达的最优空间拉 压杆模型并计算空间拉压杆模型的各空间杆件 内力； 利用各空间杆件内力的计算结果来替代现 行规范方法中平面设计方法来对帽梁结构进行 配筋设计。 本发 明基于最优空间拉压杆模型进行 结构设计， 由于考虑了结构受力的空间效应， 其 原理科学合理， 对于结构安全合理设计具有重大 意义； 不仅如此， 本发明还大大提高了独柱墩帽 梁结构的设计效率并填充了现有规范中的空白。 权利要求书4页 说明书13页 附图6页 CN 115495811 A 2022.12.20 CN 115495811 A 1.一种基于空间拉压杆模型的独柱墩帽梁结构设计方法， 其特征在于： 基于独柱墩帽 梁的结构尺寸参数建立结构的空间拉压杆模型， 以最小能量准则计算并建立最优空间拉压 杆模型的构型， 以此计算模型中拉杆及压杆内力从而进行配筋设计， 实现独柱墩帽梁的空 间化设计。 2.根据权利要求1所述的一种基于空间拉压杆模型的独柱墩帽梁结构设计方法， 其特 征在于： 包括下述 步骤： 步骤一： 建立独柱墩帽梁的空间拉压杆模型的基本构型； 所述基本构型包括： 帽梁(1)、 墩柱节段(2)、 双支座钢板(3)、 支座反力(4)、 拉杆(5)、 压杆(6)； 所述帽梁(1)的结构尺寸分别为横桥向宽度b、 顺桥向厚度t、 高度h； 所述墩柱节段(2) 的结构尺寸为墩柱直径d， 墩柱节段高度d； 所述双支座钢板(3)为矩形板， 宽度为a， 双支座 钢板于顺桥向上均位于墩帽(1)的中轴线上， 横桥向上双支座钢板的中心间距为s； 所述支 座反力(4)为Pd； 所述拉杆(5)包括节点A、 D连接构成的拉杆， 由节点A ’、 D’连接构成的拉杆， 由节点G、 G ’连接构成的拉杆， 由节点H、 H ’连接构成的拉杆； 所述压杆(6)包括由节点A、 G构 成的压杆， 由节 点G、 B构成的压杆， 由节 点B、 C构成的压杆， 由节 点D、 H构成的压杆， 由节 点H、 E构成的压杆， 由节点E、 F构成的压杆， 由节点G、 H构成的压杆， 由节点B、 E构成的压杆， 节点 A’、 G’构成的压杆， 由节 点G’、 B’构成的压杆， 由节点B ’、 C’构成的压杆， 由节点D ’、 H’构成的 压杆， 由节 点H’、 E’构成的压杆， 由节 点E’、 F’构成的压杆， 由节 点G’、 H’构成的压杆， 由节点 B’、 E’构成的压杆， 由节点A、 A ’构成的压杆， 由节点D、 D ’构成的压杆， 由节点B、 B ’构成的压 杆， 由节点E、 E ’构成的压杆； 节点A、 B、 C、 D、 E、 F、 G、 H与A ’、 B’、 C’、 D’、 E’、 F’、 G’、 H’在帽梁(1)顺桥向上的中轴线上是 对称的； 其中， 连接拉杆(5)以及压杆(6)的各节点 位置具有以下 特征： (1)A、 D、 A ’、 D’的竖向位置位于帽梁(1)顶部 的同一平面上， 其平面位置对应支座反力 (4)的作用位置； (2)C、 F、 C ’、 F’的竖向位置位于墩柱节段(2)底部的同一平面上， 其平面位置对应墩柱 节段1/4半径的位置； (3)G、 H、 G ’、 H’的竖向位置位于距离帽梁(1)顶部为x的平面上， 其平面位置在横桥向视 角位于夹角为θ 的位置， 在顺 桥向视角位于 夹角为α 的位置； (4)B、 E、 B ’、 E’分别为压杆G ‑B、 B‑C的交点， 压杆H ‑E、 E‑F的交点， 压杆G ’ ‑B’、 B’ ‑C’的交 点， 压杆H ’ ‑E’、 E’ ‑F’的交点； B、 E、 B ’、 E’的平面位置对应C、 F、 C ’、 F’节点， 其竖向位置与顺 桥向上中部水平拉杆距离帽梁(1)顶部的距离x有关， 是关于x的求 解函数； 步骤二： 建立由模型压杆决定的应 变能公式： 式中： Vε为应变能， Kl为压杆刚度， El为杆件材料的弹性模量， l为杆件长度， Al为杆件的 截面积， Fl为杆件轴力， li、 Ali以及Fli则分别为第i 根杆件的长度、 面积和杆件轴力； 其中， 计算压杆面积时需要定义压杆宽度、 厚度， 其定义遵循以下原则： (1)由于力流自支座钢板(3)下方发出， 故A ‑B压杆、 A‑A’压杆的顶面宽度分别为支座整权　利　要　求　书 1/4 页 2 CN 115495811 A 2宽度a以及支座半宽度a/2； (2)自水平压杆B ‑E或B‑B’往下， 力流的方向为垂直， 布满整个桥墩截面， 故B ‑C压杆的 顶面宽度， 亦即 G‑B压杆的底面宽度为d/2， d为墩柱 节段(2)的直径； (3)A‑G压杆底面及G ‑B压杆顶面宽度在顺 桥向宽度上布满整个截面， 为t/2； (4)对于墩柱 节段(2)， 由于其截面 为圆形， 故其B ‑C压杆的面积Abc可用下式表达： 步骤三： 以压杆A ‑G在横桥向上的倾角 θ， 以及在顺桥向上的倾角α为参数， 计算空间拉 压杆模型中各压杆的内力、 长度以及压杆面积； 其中： (1)压杆A ‑G在单位集中荷载作用下的压杆内力， 其计算方法为： 压杆A‑G的 压杆长度 ， 其计算方法为 ： 压杆A‑G的压杆面积 ， 其计算方法为 ： 其中θ、 α 分别为压杆A ‑G在横桥向上及顺桥向上的倾角， t为帽梁 (1)的顺桥向厚度， a为支座钢板(3)的宽度， d为墩柱 节段(2)的直径； (2)压杆G ‑B在单位集中荷载作用下的压杆内力， 其计算方法为： 压杆G‑B的 压杆长度 ， 其计算方法为 ： 压杆G‑B的压杆面积 ， 其计算方法为 ： 其中θ、 α分别为压杆A ‑G在横桥向上及顺桥向上的倾角， t为帽 梁(1)的顺 桥向厚度， a为支座钢板(3)的宽度， d为墩柱 节段(2)的直径； (3)压杆B ‑C在单位集中荷载作用下的压杆内力为1； 压杆B ‑C的压杆长度， 其计算方法 为： 压杆B‑C的压杆面积， 其计算方法为： 其中θ、 α分别为压 杆A‑G在横桥向上及顺桥向上的倾角， t为帽梁(1)的顺桥向厚度， h为帽梁(1)的高度， a为支 座钢板(3)的宽度， d为墩柱 节段(2)的直径； (4)压杆B ‑B’在单位集中荷载作用下的压杆内力， 其计算方法为： cotα； 压杆B ‑B’的压 杆长度， 其计算 方法为： 压杆B‑B’的压杆面积， 其计 算方法为： 其中α 为压杆A ‑G 在顺桥向上的倾角， d为墩柱 节段(2)的直径； 步骤四： 按公式(1)计算空间拉压杆模型的应 变能Vε， 表达如下式：权　利　要　求　书 2/4 页 3 CN 115495811 A 3