一种折减系数确定方法和托架结构的设计方法

技术领域

本发明涉及0#块混凝土分层浇筑的托架结构设计技术领域，特别是一种折减系数确定方法和托架结构的设计方法。

背景技术

连续梁桥(刚构桥等)的0#块混凝土由于方量大，通常需进行分层浇筑。在托架结构设计时，因已浇筑的混凝土可参与上层混凝土的结构受力，故传递至托架结构的受力可进行一定的折减，即0#块混凝土分层浇筑下混凝土荷载传至托架结构的折减系数。当前研究存在的问题：

1.针对混凝土荷载折减系数的研究较少，工程师设计时多数凭经验进行荷载的折减，如直接选择折减系数为0.5对托架进行设计，这可能使得托架设计过于保守而导致材料浪费，或设计安全度不够而导致安全性无法保障。

2.托架试验监测时，测点布置缺乏理论指导，容易造成测点布置不到最不利位置，或者虽然布置到了最不利位置，但这种情况多数是由于广撒网的结果，造成试验成本过高。

3.试验监测手段落后，目前仍然是采用常规的监测技术，通过粘贴应变片(计)和布置百分表(位移计)来获取结构的响应值，通过该种方法无法实时进行监测和预警，人力成本投入大、后期数据处理繁琐。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术0#块混凝土通常需进行分层浇筑，而在对0#块混凝土的托架进行设计时，工程师多数凭经验进行荷载的折减，存在可能使托架设计过于保守而导致材料浪费，或使设计安全度不够而导致安全性无法保障的问题，提供一种折减系数确定方法和托架结构的设计方法，该方法能够获得更加精确的折减系数，使得能够保证托架的设计安全度的前提下，更好的减少材料的浪费。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种折减系数确定方法，用于0#块混凝土分层浇筑下混凝土荷载传至托架的折减系数确定，包括获取第i+1层的折减系数Q

S1.基于有限元模拟获得0#块混凝土第i+1层混凝土在浇筑环节托架的应力最大值Y

S2.获得第i+1层的应力折减系数K

本方案中折减系数是指于0#块混凝土分层浇筑下混凝土荷载传至托架的折减系数，0#块混凝土分层层数与0#块混凝土的高度有关，但一般分为两层或三层。本方案有限元模拟的0#块混凝土与试验的0#块混凝土的分层应当一致。第一层混凝土是在托架上进行浇筑，一般不考虑折减系数；第二层混凝土是在第一层混凝土成型后的顶面浇筑，第一层混凝土成型后能够作为第二层混凝土浇筑环节的承载结构，故第二层混凝土浇筑环节混凝土荷载传至托架存在折减；相应的，第三层混凝土浇筑环节混凝土荷载传至托架也存在折减。混凝土成型后是指混凝土强度达到能够进行下一层的浇筑的预设强度。监测可以通过在托架上设置应变计和位移计，分别对应于应力监测和位移监测。

Y

优选的，还包括步骤S3.多次重复步骤S1-S2，获得n次试验第i+1层的折减系数Q

n为正整数。通过n次试验得到n个第i+1层的折减系数Q

优选的，当i＝2时：

所述步骤S1.基于有限元模拟获得0#块混凝土第2层混凝土在浇筑环节托架的应力最大值Y

所述步骤S2.获得第2层的应力折减系数K

因一般0#块混凝土的分层浇筑为2-3层，故需要获取第2层的折减系数和第3层的折减系数。通过上述方式，试验时的0#块混凝土从下向上分三层浇筑环节，能够同时获取第2层的Q

进一步优选的，还包括步骤S3.多次重复步骤S1-S2，获得n次试验第2层的折减系数Q

通过上述方案，能够同时获取第2层的设计折减系数Q

优选的，在所述步骤S1中进行0#块混凝土分层浇筑试验前，先将应变计设置在托架的应力最不利点，并将位移计设置在托架的挠度最不利点；

获取托架的应力最不利点的方式为：根据结构力学原理确定托架的最不利截面位置得到最不利截面A，然后采用midas civil建模并依据最不利截面A的位置快速得到托架的最不利截面B；若最不利截面B和最不利截面A在托架上的位置不重合，则检查并调整midas civil建模，并重新比较最不利截面B和最不利截面A在托架上的位置，直至最不利截面B和最不利截面A在托架上的位置重合；若最不利截面B和最不利截面A在托架上的位置重合，则在最不利截面B上选取应力值与应力极限值相差最小处所在位置为托架的应力最不利点的具体位置；

获取托架的挠度最不利点的方式为：采用midas civil建模计算，获取挠度最大值所在位置为托架的挠度最不利点的具体位置。

应力最不利点为在荷载作用下托架的构件应力响应值与其应力极限值的差值的绝对值最小的位置，即代表应力更容易到达预设极限，应力包括弯曲应力和剪力；挠度最不利点为在荷载作用下托架的构件挠度响应值与其挠度极限值的差值的绝对值最小的位置，即代表挠度更容易到达预设极限，可直接通过挠度最大值来体现。通过在托架的应力最不利点设置应变计，挠度最不利点设置位移计，能够更好的反应托架的最不利响应值，有利于分别通过应力和挠度来更准确的获得对应的折减系数。且通过将应力变化计算的应力折减系数和挠度变化计算的挠度折减系数相比较，取出最大值，即使两者之间的某个数值因向上分层浇筑环节对应的最不利点的受力变小而变小，也能够通过另一个数值来使得误差变小，使得能够更精准的获取该层混凝土的折减系数。

通过结构力学原理能够得出托架的受力分析图，进而根据受力分析图的应力值与应力极限值的差值最小处来初步判断最不利截面所在位置得到最不利截面A，依据最不利截面A的位置能够更加快速的在midas civil建模中找到最不利截面B，对受力分析的最不利截面A和midas civil建模的最不利截面B进行比对，如果位置不重合，则midas civil建模存在误差，需要进行检查并调整，直到最不利截面A和最不利截面B的位置重合，以确定midas civil建模的准确性。在确定了midas civil建模的准确前提下，在最不利截面B上寻找应力值与应力极限值差值最小的位置，即为托架的应力最不利点的具体位置。且通过上述方法，能够较为准确确定托架的应力最不利点和挠度最不利点，能够避免盲目进行测点布置导致无法监测到结构最不利响应值，且能够避免布置大量的测点而造成试验成本过高。

优选的，采用应力监测系统对托架的应力最大值进行监测，所述应力监测系统包括应变计、数据传输模块、云平台自动监测模块，所述应变计用于采集应力值，所述数据传输模块用于将所述应变计采集的应力值数据传输至所述云平台自动监测模块，所述云平台自动监测模块用于监测应力最大值。

传统应力监测方法人力投入大、自动化水平低，导致安全风险高、监测效率和效果不理想，通过上述应力监测系统，能够使托架的应力被实时监测、实时传输和实时处理，其所需人力少，处理更加方便快捷，安全风险低，监测效率高，监测效果更好。

优选的，通过位移监测系统对托架的位移最大值进行监测，位移监测系统包括位移计、数据传输模块、云平台自动监测模块，位移计用于采集位移值，数据传输模块用于将位移计采集的位移值数据传输至云平台自动监测模块，云平台自动监测模块用于监测位移最大值。

传统位移监测方法人力投入大、自动化水平低，导致安全风险高、监测效率和效果不理想，通过上述位移监测系统，能够使托架的位移被实时监测、实时传输和实时处理，其所需人力少，处理更加方便快捷，安全风险低，监测效率高，监测效果更好。

优选的，应力监测系统和位移监测系统采用同一套数据传输模块和云平台自动监测模块，增加资源利用率，降低成本。

优选的，应变计和位移计均设置在0#块混凝土腹板底部对应的主纵梁跨中处的下翼缘板的横向中部。

因0#块混凝土具有位于两侧的腹板，在腹板浇筑环节，两侧的应力最大，将应变计和位移计均设置在混凝土分层浇筑过程中腹板底对应的杆件处，此处的杆件力学性能响应值变化较大，能够较好的监测0#块混凝土整个浇筑过程中托架的应力响应值和挠度响应值，有利于方便、准确获取各层混凝土浇筑环节的荷载折减系数。

一种托架结构的设计方法，用于0#块混凝土分层浇筑的托架的设计，采用如上述任一所述的折减系数确定方法得到的折减系数或设计折减系数设计托架。

通过上述折减系数确定方法，能够得到更精确的0#块混凝土各层计算所对应的折减系数或设计折减系数，使得设计的托架更加安全，进而使得能够保证托架的设计安全度的前提下，更好的减少材料的浪费；且通过更精确的折减系数或设计折减系数设计的托架更加安全，更有利于对0#块混凝土进行浇筑。

优选的，当0#块混凝土的高度大于或等于6m时，0#块混凝土分三层浇筑，第二层混凝土传递至托架的荷载的折减计算采用设计折减系数Q

当0#块混凝土的高度小于或等于6m时，0#块混凝土分两层浇筑，第二层混凝土传递至托架的荷载的折减计算采用设计折减系数Q

设计折减系数Q

当0#块混凝土的高度大于或等于6m时，一般分为三层进行浇筑，0#块混凝土的高度小于6m时，一般为两层浇筑。当按两层浇筑0#块混凝土，位于上方的第二层的折减系数更好的对应于分三层浇筑0#块混凝土时的第二层的折减系数，故在计算两层浇筑0#块混凝土的第二层的折减时，采用0#块混凝土三层浇筑环节试验并计算所得的设计折减系数Q

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明所述折减系数确定方法通过有限元模拟获得的方式得到0#块混凝土第i+1层的混凝土浇筑环节的应力最大值和挠度最大值，通过浇筑试验并对托架的应力和挠度的监测，来获取第i层混凝土成型后至第i+1层混凝土浇筑环节的应力增量Δσ

2、本发明所述托架结构的设计方法，通过上述折减系数确定方法，能够得到更精确的0#块混凝土各层计算所对应的折减系数或设计折减系数，使得设计的托架更加安全，进而使得能够保证托架的设计安全度的前提下，更好的减少材料的浪费；且通过更精确的折减系数或设计折减系数设计的托架更加安全，更有利于对0#块混凝土进行浇筑。

附图说明

图1(a)是实施例1中0#块混凝土第一层成型后的示意图；

图1(b)是实施例1中0#块混凝土第一层成型后的侧视图；

图2(a)是实施例1中0#块混凝土第二层成型后的示意图；

图2(b)是实施例1中0#块混凝土第二层成型后的侧视图；

图3(a)是实施例1中0#块混凝土第三层成型后的示意图；

图3(b)是实施例1中0#块混凝土第三层成型后的侧视图；

图4是实施例1中应力最不利测点的理论受力分析图一；

图5是实施例1中应力最不利测点的理论受力分析图二；

图6是实施例1中托架在墩柱上安装的状态示意图一；

图7是应变计在图6中B-B处截面的应力最不利点布置位置示意图；

图8是实施例1中托架在墩柱上安装的状态示意图二；

图9是位移计在图8中C-C处截面的挠度最不利点布置位置示意图；

图10是实施例1中托架在墩柱上安装的状态示意图三；

图11是应变计和位移计设置在主纵梁跨中D-D处截面的示意图。

图标：1-应变计；2-位移计；3-主纵梁；4-斜撑；5-支座；6-墩柱；7-分配梁。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

本实施例提供一种折减系数确定方法，用于0#块混凝土分层浇筑下混凝土荷载传至托架的折减系数确定，包括获取第i+1层的折减系数Q

S1.基于有限元模拟获得0#块混凝土第i+1层混凝土在浇筑环节托架的应力最大值Y

S2.获得第i+1层的应力折减系数K

本实施例中，托架可以为公开号为CN113430945A的中国专利申请文件所公开的托架，如图1(b)所示，托架安装在墩柱6上，包括沿纵桥向设置的主纵梁3、分配梁7、支座5和斜撑4。

应力最大值Y

传统应力监测方法人力投入大、自动化水平低，导致安全风险高、监测效率和效果不理想。作为较优的实施方式，在所述步骤S1中，采用应力监测系统对托架的应力最大值进行监测，所述应力监测系统包括应变计1、数据传输模块、云平台自动监测模块，所述应变计1用于采集应力值，所述数据传输模块用于将所述应变计1采集的应力值数据传输至所述云平台自动监测模块，所述云平台自动监测模块用于监测应力最大值。通过上述应力监测系统，能够使托架的应力被实时监测、实时传输和实时处理，其所需人力少，处理更加方便快捷，安全风险低，监测效率高，监测效果更好。可选择的，在所述步骤S1中，通过位移监测系统对托架的位移最大值进行监测，位移监测系统包括位移计2、数据传输模块、云平台自动监测模块，位移计2用于采集位移值，数据传输模块用于将位移计2采集的位移值数据传输至云平台自动监测模块，云平台自动监测模块用于监测位移最大值。通过上述位移监测系统，能够使托架的位移被实时监测、实时传输和实时处理，其所需人力少，处理更加方便快捷，安全风险低，监测效率高，监测效果更好。除外，应力监测系统和位移监测系统采用同一套数据传输模块和云平台自动监测模块，能够增加资源利用率，降低成本。

并在所述步骤S1中进行0#块混凝土分层浇筑试验前，先将应变计1设置在托架的应力最不利点，并将位移计2设置在托架的挠度最不利点，应力最不利点为在荷载作用下托架的构件应力响应值与其应力极限值的差值的绝对值最小的位置，即代表应力更容易到达预设极限；挠度最不利点为在荷载作用下托架的构件挠度响应值与其挠度极限值的差值的绝对值最小的位置，即代表挠度更容易到达预设极限，可直接通过挠度最大值来反应。通过在托架的应力最不利点设置应变计1，挠度最不利点设置位移计2，能够更好的反应托架的最不利响应值，有利于分别通过应力和挠度来更准确的获得对应的折减系数。且通过将应力变化计算的应力折减系数和挠度变化计算的挠度折减系数相比较，取出最大值，即使两者之间的某个数值因向上分层浇筑环节对应的最不利点的受力变小而变小，也能够通过另一个数值来使得误差变小，使得能够更精准的获取该层混凝土的折减系数。

获取托架的应力最不利点的方式可以采用：通过结构力学原理能够得出托架的受力分析图，如图4-5，进而根据受力分析图的应力值与应力极限值差值最小处来初步判断最不利截面所在位置得到最不利截面A，图5中，M

获取托架的挠度最不利点的方式可以采用midas civil建模计算，获取挠度最大值所在位置为托架的挠度最不利点的具体位置。具体的，如图8-9所示，通过此种方法，可获取挠度最大值位于横向分配梁7的跨中位置，即C-C截面处，挠度最不利点为图9中位移计2的布置位置，即位于分配梁7下翼缘板的底面中部。

相比于现有技术，通过上述最不利点的确定方法，能够较为准确确定托架的应力最不利点和挠度最不利点，能够避免盲目进行测点布置导致无法监测到结构最不利响应值，且能够避免布置大量的测点而造成试验成本过高。

除了将应变计1设于托架的应力最不利点，并将位移计2设于托架的挠度最不利点，来分别对应力和位移进行监测以外，因0#块混凝土具有位于两侧的腹板，腹板浇筑环节，两侧的应力最大，根据实验和工程经验，还可以采用将应变计1和位移计2均设置在混凝土分层浇筑过程中腹板底对应的杆件处，即设置于沿纵桥向设置的主纵梁3，即将应变计1和位移计2均设置在0#块混凝土腹板底部对应的主纵梁3跨中D-D截面处的下翼缘板的横向中部，如图10-11所示，将应变计1和位移计2设置在主纵梁3跨中处的下翼缘板的中部。此处的杆件力学性能响应值变化较大，也能够较好的监测0#块混凝土整个浇筑过程中托架的应力响应值和挠度响应值，有利于方便、准确获取各层混凝土浇筑环节的荷载折减系数。

本方案中，i代表层数，i为大于0的整数，第i+1层代表第i层上方的相邻一层。本方法通过有限元模拟获得的方式得到0#块混凝土第i+1层的混凝土浇筑环节的应力最大值和挠度最大值，通过浇筑试验并对托架的应力和挠度的监测，来获取第i层混凝土成型后至第i+1层混凝土浇筑环节的应力增量Δσ

作为较优的实施方式，还包括步骤S3.多次重复步骤S1-S2，获得n次试验第i+1层的折减系数Q

n为有限的正整数，n可以为2、3、4、5等。试验为真实浇筑，是基于项目上所需浇筑的0#块混凝土作为试验项目，该项目的托架设计采用常规的设计方式，以保证安全为主。通过n次试验得到n个第i+1层的折减系数Q

本实施例中，以试验时的0#块混凝土从下向上分三层浇筑为例进行说明。采用0#块混凝土从下向上分三层浇筑作为试验，能够在一次试验中获得第二层和第三层的折减系数，具体步骤如下：

即当i＝2时：

所述步骤S1.基于有限元模拟获得0#块混凝土第2层混凝土在浇筑环节托架的应力最大值Y

所述步骤S2.获得第2层的应力折减系数K

如：将0#块混凝土分三层浇筑，采用midas civil和现场监测的方法进行计算，计算结果详见表1。

表1折减系数计算结果

通过计算可知，第二层混凝土浇筑环节混凝土荷载传至托架的应力折减系数和挠度折减系数，由应力计算得到K

取最不利情况Q

假设第二层混凝土流体线荷载为Q

当采用n次试验时，还需执行所述步骤S3，多次重复步骤S1-S2，获得n次试验第2层的折减系数Q

因一般0#块混凝土的分层浇筑为2-3层，故需要获取第2层的折减系数和第3层的折减系数。通过上述以试验时的0#块混凝土从下向上分三层浇筑的方式，能够同时获取第2层的设计折减系数Q

实施例2

本实施例提供一种托架结构的设计方法，用于0#块混凝土分层浇筑的托架的设计，采用如实施例1所述的折减系数确定方法得到的折减系数或设计折减系数设计托架，托架的具体设计可以采用公开号为CN113430945A的中国专利申请文件所公开的一种装配式托架的设计方法。

且当0#块混凝土的高度大于或等于6m时，设计的托架用于0#块混凝土分三层浇筑，第二层混凝土传递至托架的荷载的折减计算采用设计折减系数Q

当0#块混凝土的高度小于或等于6m时，设计的托架用于0#块混凝土分两层浇筑，第二层混凝土传递至托架的荷载的折减计算采用设计折减系数Q

设计折减系数Q

当0#块混凝土的高度大于或等于6m时，一般分为三层进行浇筑，0#块混凝土的高度小于6m时，一般为两层浇筑。当按两层浇筑0#块混凝土，位于上方的第二层的折减系数更好的对应于分三层浇筑0#块混凝土时的第二层的折减系数，故在计算两层浇筑0#块混凝土的第二层的折减时，采用0#块混凝土三层浇筑环节试验并计算所得的第二层的折减系数Q

本实施例所述托架结构的设计方法，通过实施例1中的折减系数确定方法，能够得到更精确的0#块混凝土各层计算所对应的折减系数，使得设计的托架更加安全，进而使得能够保证托架的设计安全度的前提下，更好的减少材料的浪费；且通过更精确的折减系数或设计折减系数设计的托架更加安全，更有利于对0#块混凝土进行浇筑。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。