(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 202210413082.7 (22)申请日 2022.04.19 (71)申请人 福州大学 地址 362251 福建省泉州市晋 江市金井镇 水城路1号福州大 学晋江科教园 (72)发明人 张超　周桢干　韩强　温佳年　 周雨龙　贾宏宇　傅光辉　 (74)专利代理 机构 福州元创专利商标代理有限 公司 35100 专利代理师 丘鸿超　蔡学俊 (51)Int.Cl. G06F 30/13(2020.01) G01V 1/28(2006.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 倾斜桥塔横向地震失效模式的优化方法 (57)摘要 本发明提出一种倾斜桥塔横向地震失效模 式的优化方法， 采用连续模态pushover方法(CMP 方法)识别桥塔横向地震下的失效模式， 解决了 现有方法失效模式识别低效的技术问题； 引入倾 角影响系数来考虑塔柱倾角 对桥塔失效模式的 影响， 创新性地解决了 现有方法不适用于倾斜桥 塔的难题； 从能力与需求的角度切入， 采用塔柱 和横梁的抗弯承 载能力作为唯一调整参数， 解决 了现有方法优化过程中性能指标繁琐复杂的技 术问题。 权利要求书4页 说明书13页 附图6页 CN 114880738 A 2022.08.09 CN 114880738 A 1.一种倾斜桥塔横向地震失效模式的优化方法， 其特征在于： 对结构失效模式识别分 析时， 采用CMP方法， 根据桥塔振 型确定侧向力分布模式， 考虑了桥塔高阶振型的贡献； 采用 逐层优化的整体策略， 从第1层桥塔起， 优化每一层的横梁和塔柱的抗弯承载能力， 并选用 截面抗弯承载能力作为优化参数， 考虑了塔柱倾角αi对结构失效模式的影响， 并将这一影 响因素量 化成了倾角影响系数 ηi应用在桥塔优化的迭代计算中。 2.根据权利要求1所述的倾斜桥塔横向地震失效模式的优化方法， 其特征在于， 包括： 桥塔计算分析和识别模块和桥塔失效模式优化模块； 所述桥塔计算分析和识别模块的执 行包括以下步骤： 步骤S1： 提取倾斜桥塔的相关分析参数， 包括： 倾斜桥塔高度hi、 梁宽bi、 塔柱倾角 αi、 钢 筋抗拉强度fy和屈服应变 ε； 步骤S2： 根据倾斜桥塔所在位置的桥梁抗震设防需求， 确定倾斜桥塔在设防地震作用 下的期望失效模式； 步骤S3： 基于倾 斜桥塔的相关 分析参数， 建立 倾斜桥塔数值分析模型； 步骤S5： 求解倾斜桥塔的动力特性， 包括： 自振周 期Tn、 各阶振型的模态质量参与系数 以及振型向量φn， 并将振型向量φn归一化， 使得倾 斜桥塔顶部的模态向量 步骤S6： 求 解倾斜桥塔的模态侧向力sn； 步骤S7： 计算 倾斜桥塔顶部在相应强度地震动下的目标位移Dt； 步骤S8： 基于CMP方法对倾斜桥塔进行侧推分析， 直至倾斜桥塔顶部位移达到目标位移 Dt； 步骤S9： 识别倾斜桥塔的失效位置： 通过倾斜桥塔的构件力学指标、 变形指标是否达到 失效标准来判断倾斜桥塔的失效构件； 若倾斜桥塔的某一构件在某位置的性能指标达到或 超过了失效标准， 即识别为此构件失效， 并记录此构件失效位置； 步骤S10： 识别倾斜桥塔的构件的失效顺序： 将记录下来的构件的失效位置按失效时间 进行先后排序， 得到构件失效顺序； 步骤S11： 判断步骤S10识别出的倾斜桥塔失效模式是否符合步骤S2确定的倾斜桥塔期 望失效模式？ 若判断为 “是”， 转到步骤S24； 若判断为 “否”， 转到步骤S12； 步骤S24： 输出优化后倾 斜桥塔的相关参数； 所述桥塔失效模式优化模块的执 行包括以下步骤： 步骤S12： 确定倾斜桥塔的优化参数： 采用抗弯承载能力 作为优化参数， 包 括Mbi和Mci； 其 中， Mbi表示倾斜桥塔第i层节点 的梁端截面顺或逆时针方向的抗弯承载能力； Mci表示倾斜 桥塔第i层节点的柱端截面 顺或逆时针方向的抗弯承载能力； 步骤S13： 根据步骤S9的识别结果， 判断倾 斜桥塔第i层构件是否失效： 若判断为“是”， 转到步骤S15、 S16、 S18计算截面承载能力； 否则， 则令i＝i+1， 进入倾斜 桥塔下一层的判断； 步骤S15、 S16、 S18分别为： 计算倾斜桥塔第i层桥塔的柱端截面抗弯承载能力Mci、 梁端 截面抗弯承载能力Mbi以及倾角影响系数 ηi； 步骤S17： 进行考虑了倾角因素的柱端截面 抗弯承载能力Msci计算； 步骤S19： 判断Msci>Mbi？ 若判断为 “否”， 转到步骤S20制定优化策略； 若判断为 “是”， 转入权　利　要　求　书 1/4 页 2 CN 114880738 A 2步骤S23； 步骤S20： 制定优化策略， 计算柱端截面弯矩调整系数a、 和梁端截面弯矩调整系数b； 诉 搜狐优化策略是指根据倾 斜桥塔受力、 变形 特点而定的优化迭代方法； 步骤S21、 S22分别为： 重新计算柱端截面抗弯承载能力Mci、 梁端截面抗弯承载能力Mbi； 步骤S21、 S22计算完成后， 更新步骤S16、 S18的柱端截面抗弯承载 能力Mci、 梁端截面抗弯承 载能力Mbi； 步骤S23： 判断优化完的第i层是否为倾斜桥塔的最大层数n； 若判断为 “否”， 转到步骤 S14； 若判断为 “是”， 则更新数值模型， 并转到步骤S3 。 3.根据权利要求2所述的倾斜桥塔横向地震失效模式的优化方法， 其特征在于： 步骤S5 具体包括以下步骤： 步骤S5.1： 计算 倾斜桥塔的振型向量φn： 倾斜桥塔的运动方程如式(1)所示： 式中， 为加速度； 为速度； u为位移； p(t)为外力； m为质量矩阵； c为结构阻尼系数矩 阵； k为结构刚度矩阵； 作为多自由度体系， 倾 斜桥塔的固有振型的自由运动用数 学形式描述 为： u(t)＝qn(t)φn     (2) 式中， 振型φn不随时间变化， 位移qn(t)随时间变化由简谐函数来描述： qn(t)＝An cosωnt+Bn sinωnt     (3) 式中， ωn是结构固有振动圆频率； An和Bn是积分常数， 根据运动的初始条件确定； 将式(2)和式(3)联合 起来得出： u(t)＝φn(An cosωnt+Bn sinωnt)     (4) 将u(t)代入运动方程(1)可 得： 从而可得到特征方程： 解特征方程(6)得到自振频率ωn， 再将自振频率代入式(5)可解得振型向量φn； 步骤S5.2计算 倾斜桥塔的自振周期Tn： 其中， Tn为倾斜桥塔的固有振动周期； ωn为倾斜桥塔的固有振动周期对应的固有振动 圆频率。 4.根据权利要求3所述的倾斜桥塔横向地震失效模式的优化方法， 其特征在于： 步骤S6 具体包括以下步骤： 模态侧向力sn的求解公式如式(8)所示： sn＝mφnr      (8) 式中： sn为第n步加载的倾斜桥塔的模态侧向力； m为倾斜桥塔的质量矩阵； φnr为归一 化的第n步的模态向量。权　利　要　求　书 2/4 页 3 CN 114880738 A 3