CN108875131A - 不对称钢梁方钢管柱节点剪力评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢梁钢管柱节点剪力评价方法，尤其涉及一种不对称钢梁方钢管柱节点剪力评价方法。评价方法包括如下步骤：(1)预设高低钢梁方钢管混凝土柱节点的几何尺寸、所采用的钢材型号及混凝土等级；(2)计算得到混凝土核心区边长和钢管腹板截面面积；(3)确定钢管的剪力；(4)确定核心区混凝土的极限受压承载力；(5)钢管柱和核心区混凝土承载力叠加得到节点核心区的剪力；本发明解决了不对称钢梁方钢管柱节点剪力评价方法的问题，填补了该类节点剪力计算方法方面的空白，可供实际工程设计参考，使该计算方法用范围更广，更具有普适性。

Description

不对称钢梁方钢管柱节点剪力评价方法

技术领域

本发明涉及一种钢梁钢管柱节点剪力评价方法，尤其涉及一种不对称钢梁方钢管柱节点剪力评价方法。

背景技术

钢管混凝土结构，是指钢管内填充混凝土的构件，包括实心和空心钢管混凝土构件，截面可为圆形、矩形、以及多边形，简称CSFT构件。在钢管混凝土结构中，梁柱节点常采用高低钢梁钢管混凝土柱节点。该节点由工字形钢梁、方钢管混凝土柱以及外加强环板或内隔板等组成，其承载力高、延性好、抗震性能优越。使用钢与混凝土两种材料进行组合，钢管对内填混凝土的约束效应提高了混凝土抗压强度，内填混凝土也提高了钢管的刚度，因此其性能优于混凝土结构和钢结构。高低钢梁钢管混凝土柱节点亦优于以上两种结构的节点，使其更适用于高地震烈度地区的高层或超高层建筑。与此同时，该种节点中柱两侧采用高低不等高钢梁，既可以减少钢材的使用，降低结构体系的自重，又节约了资源，保护了环境，降低了建造成本，同时最大程度的保证“强节点，弱构件”的抗震设计要求。该结构施工方便，可以大大缩短工期，且防腐蚀、防火性能优于钢结构。因此，对不对称钢梁方钢管柱节点剪力的计算方法研究，对于工程实践指导与技术推广应用有重要意义。

钢梁钢管混凝土柱节点的抗剪承载力研究对于指导工程实践具有重要意义，国内外学者在钢管混凝土柱-钢梁节点的承载能力以及设计计算方面已开展了一些研究工作，形成了多种钢梁钢管混凝土柱节点抗剪承载力的计算理论。现有的钢梁钢管混凝土柱节点的抗剪承载力计算方法主要有AIJ计算方法、Fukumoto计算方法、Nishiyama计算方法等。AIJ计算方法基于叠加原理提出的钢管混凝土柱-钢梁节点的剪力计算式，但该方法没有考虑轴压力对节点核心区剪力的影响，同时要求混凝土抗压强度低于36Mpa，钢材抗拉强度低于490Mpa，适用范围受到一定限制，且其计算结果离散性较大。Fukumoto计算方法提出了核心区混凝土约束受压桁架模型，基于叠加原理推导出了核心区全过程剪力-剪切应变关系及核心区受剪三折线模型，考虑了轴力对钢管柱壁的影响。但该方法只适用于等高梁柱节点，对于高低梁柱节点不再适用，且荷载计算结构特征值偏低。Nishiyama计算方法在Fukumoto计算方法基础上采用按弹性模量对轴力进行比例分配的方法。但该方法只适用于等高梁柱节点，对于高低梁柱节点不再适用。且荷载计算结构特征值偏低，使其计算的普适性和可靠性降低。

发明内容

本发明的目的在于克服上述钢梁钢管混凝土柱节点剪力计算方法的不足和局限性，提出不对称钢梁方钢管柱节点剪力评价方法，将该类节点在剪切荷载作用下的破坏形式分为整体破坏与局部破坏两种类型，并引入约束受压桁架模型，将节点核心区混凝土简化为斜压杆模型，使计算结果更加合理准确，且方法简便实用。

本发明提供了一种不对称钢梁方钢管柱节点剪力评价方法，包括以下步骤：

步骤一，预设高低钢梁方钢管混凝土柱节点的几何尺寸、所采用的钢材型号及混凝土等级，包括钢管强度(_sσ_y)和混凝土的抗压强度(_cσ_B)；

步骤二，计算得到混凝土核心区边长(_cD)和钢管腹板截面面积(_sA_w)，计算公式如下：

_cD＝_sD-2_st

_sA_w＝2·_st·_sD

其中，_sD为钢管边长，_st为钢管截面壁厚；

步骤三，计算柱轴压比(N/N₀)，其中，钢管混凝土柱截面抗压承载力N₀＝A_ssσ_y+A_cf_ck，f_ck为混凝土抗压强度标准值；

步骤四，计算钢管剪力_psQ_y；

步骤五，计算整体/局部破坏模式下的附属混凝土斜压角θ_s；

步骤六，计算钢管弯矩_fM_s；

步骤七，计算整体/局部破坏模式下的混凝土的极限受压承载力_pcQ_u；

步骤八，计算整体/局部破坏模式下的核心区混凝土剪力系数_pβ与核心区混凝土剪力_pcQ_y；

步骤九，计算整体/局部破坏模式下的节点核心区的剪力_pQ_y；

步骤十，当计算出的整体破坏模式下的节点核心区剪力大于局部破坏模式下的节点核心区剪力时，调整高低钢梁高度差值_bd₁-_bd₂，重新计算剪力，直至计算出整体破坏模式下的节点核心区剪力小于局部破坏模式下的节点核心区剪力，取此时计算出的整体破坏模式下的节点核心区剪力_pQ_y。

所述步骤四，钢管剪力_psQ_y的确定：

钢管的剪力的计算公式如下：

所述步骤四中钢管截面压应力(_sσ₀)按钢管和混凝土强度进行分配；计算公式如下：

式中，A_s钢管壁截面面积，A_c为混凝土截面面积。

所述步骤五，附属混凝土斜压角的确定：

当节点受到整体破坏时，高梁侧与低梁侧的附属混凝土斜压角分别为θ_s1和θ_s2，计算公式如下：

当节点受到局部破坏时，高梁侧与低梁侧的附属混凝土斜压角为θ_s2，计算公式如下：

所述的整体破坏是指于低梁侧施加负压力，高梁侧施加正压力；局部破坏是指于低梁侧施加正压力，高梁侧施加负压力。

所述步骤六，钢管弯矩_fM_s的计算公式如下：

所述步骤七，混凝土的极限受压承载力_pcQ_u的确定：

当受到整体破坏时其计算公式如下：

当受到局部破坏时其计算公式如下：

所述步骤八，核心区混凝土剪力系数_pβ与核心区混凝土剪力_pcQ_y确定：

在整体破坏下系数_pβ计算公式如下：

在局部破坏下系数_pβ计算公式如下：

核心区混凝土剪力_pcQ_y计算公式如下：

_pcQ_y＝_pβ·_pcQ_u。

所述步骤九，将钢管和核心区混凝土的剪力进行叠加得到节点核心区的剪力_pQ_y，计算公式如下：

_pQ_y＝_psQ_y+_pcQ_y。

所述步骤七中所阐述的节点核心区混凝土极限受压承载力_pcQ_u由主混凝土斜压杆与附属混凝土斜压杆共同组成；

整体破坏作用下主混凝土斜压杆极限受压承载力公式如下：

整体破坏作用下附属混凝土斜压杆极限受压承载力公式如下：

局部破坏作用下主混凝土斜压杆极限受压承载力公式如下：

局部破坏作用下附属混凝土斜压杆极限受压承载力公式如下：

其中，_cD为混凝土核心区边长，即_sD-2_st；_cσ_B混凝土的抗压强度；θ_s1为高梁附属混凝土斜压角；θ_s2为低梁附属混凝土斜压角；_fM_s为钢管弯矩；_pc1Q_u为主混凝土斜压杆极限受压承载力；_pc2Q_u为附属混凝土斜压杆极限受压承载力。

所述步骤一测定高低钢梁方钢管混凝土柱节点各构件的物理几何参数值，包括高低梁中的高梁高度(_bd₁)、低梁高度(_bd₂)、钢管边长(_sD)和钢管截面壁厚(_st)。

本发明的有益效果：

(1)本发明解决了不对称钢梁方钢管柱节点剪力评价方法问题，填补了该类节点剪力计算方法方面的空白，可供实际工程设计参考。

(2)本发明将计算模型由等高梁柱节点拓展至不等高梁柱节点，使该计算方法用范围更广，更具有普适性。

(3)本发明提出的计算方法适用于外加强环、内隔板等节点类型，其适用范围广实用性强。

(4)本发明采用约束受压桁架模型，考虑了钢管和混凝土之间的相互作用，使计算结果更加准确。

(5)本发明基于动力荷载试验，考虑到不同的荷载作用方向，使计算结果更加合理准确。

(6)本发明在结果取值方面较为保守，其计算结果的安全性得到保障。

附图说明

图1是本发明节点整体破坏模式。

图2是本发明节点局部破坏模式。

图3是本发明方钢管混凝土柱横截面示意图。

图4是本发明计算步骤流程框图。

图中：1、主混凝土斜压杆；2、附属混凝土斜压杆；3、钢管；4、高梁；5、低梁。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

实施例

如图1-4所示，本发明所述的某高低钢梁方钢管混凝土柱节点剪力评价方法，包括以下步骤：

步骤一，预设高低钢梁方钢管混凝土柱节点的几何尺寸、所采用的钢材型号及混凝土等级。钢管混凝土柱尺寸为300×300×13(单位为mm，下同)，高梁4的尺寸为600×200×11×17，低梁5的尺寸为550×200×10×16，钢管3的强度_sσ_y为350N/mm²、内填混凝土的抗压强度(_cσ_B)为27.5N/mm²、内填混凝土抗压强度标准值f_ck为38.5N/mm²，钢管3壁截面面积A_s＝_sD²-_cD²＝90000-75076＝14924，混凝土截面面积A_c＝_cD²＝75076，钢管3所受轴向压力为3000kN。

步骤二，已知，高梁4的高度(_bd₁)为600mm、低梁5的高度(_bd₂)为550mm、钢管3的边长(_sD)为300mm、钢管3的截面壁厚(_st)为13mm。通过以上几何物理量计算得到混凝土核心区边长(_cD)、钢管3的腹板截面面积(_sA_w)，计算公式如下：

_cD＝_sD-2_st＝300-2×13＝274mm

_sA_w＝2·_st·_sD＝2×13×300＝7800mm²

步骤三，柱轴压比(N/N₀)计算如下：

步骤四，钢管3剪力的确定：

依据钢管混凝土柱轴力按钢管3和混凝土强度进行分配的原则，计算钢管3截面压应力(_sσ₀)，公式如下：

依据材料力学中形状改变能密度理论，结合钢管3截面剪切条件。钢管3的剪力计算公式如下：

步骤五，整体/局部破坏模式下的附属混凝土斜压角的计算：

根据对节点核心区混凝土破坏模式的分析，不同的荷载的作用方向会造成不同的混凝土破坏模式，因此将荷载作用方向划分为整体破坏模式和局部破坏模式。

当节点受到如图1的整体破坏作用时，高梁4与低梁5的附属混凝土斜压角分别为θ_s1和θ_s2，其值受到梁高(_bd)与核心混凝土边长(_cD)比值的影响，计算公式如下：

当节点受到如图2的局部破坏作用时，高梁4与低梁5的附属混凝土斜压角为θ_s2，其值受到梁高(_bd)与核心混凝土边长(_cD)比值的影响，计算公式如下：

步骤六，钢管3弯矩的计算：

钢管3的弯矩与钢管3的边长(_sD)、壁厚(_st)与所使用钢材的强度(_sσ_y)有关。其计算公式如下：

步骤七，整体/局部破坏模式下的混凝土的极限受压承载力的计算：

依据约束受压桁架核心区混凝土的破坏模型，核心区混凝土的极限受压承载力由主混凝土斜压杆1与附属混凝土斜压杆2共同组成，主混凝土斜压杆1与附属混凝土斜压杆2承载力之和构成核心区混凝土的极限受压承载力。

当受到整体破坏作用时其计算公式如下：

当受到局部破坏时其计算公式如下：

步骤八，整体/局部破坏模式下核心区混凝土剪力系数与核心区混凝土剪力的计算：

核心区混凝土剪力系数即核心区混凝土受剪荷载和极限荷载的比值，该系数与梁高比(_bd₁/_bd₂)、轴压比(N/N₀)以及钢梁高度与核心混凝土边长的比值(_bd₁/_cD)有关。

在整体破坏作用下其计算公式如下：

在局部破坏作用下其计算公式如下：

核心区混凝土剪力计算公式如下：

在整体破坏作用下：

_pcQ_y＝_pβ·_pcQ_u＝0.912×385.97＝352.00kN

在局部破坏作用下：

_pcQ_y＝_pβ·_pcQ_u＝0.945×410.38＝387.81kN

步骤九，将钢管3和核心区混凝土的剪力进行叠加得到节点核心区的剪力，并取整体/局部破坏模式下所得保守数值作为计算结果，计算公式如下：

整体破坏作用下：

_pQ_y＝_psQ_y+_pcQ_y＝1464.47+352.00＝1816.47kN

局部破坏作用下：

_pQ_y＝_psQ_y+_pcQ_y＝1464.47+387.81＝1852.28kN

步骤十：由以上计算结果可知，计算出的整体破坏模式下的节点核心区剪力小于局部破坏模式下的节点核心区剪力，取此时计算出的整体破坏模式下的节点核心区剪力_pQ_y，所以该高低钢梁方钢管混凝土柱节点剪力为1816.47kN。

通过对高低钢梁方钢管混凝土柱节点剪切破坏模式的研究，将该类节点在剪切荷载作用下的破坏形式分为整体破坏作用与局部破坏作用两种类型，并引入约束受压桁架模型，将节点核心区混凝土简化为斜压杆模型。通过能量改变能密度理论求得钢管的剪力，通过约束受压桁架模型与混凝土的应力应变关系推导出核心区混凝土的极限抗剪承载力计算方法，并考虑梁高比、轴压比以及梁高与柱混凝土截面边长的比值的影响引入混凝土剪力系数求得核心区混凝土剪力。将钢管的剪力与核心区混凝土剪力进行叠加实现高低钢梁方钢管混凝土柱节点剪力的计算。将整体/局部破坏模式下计算得到的高低钢梁方钢管混凝土柱节点剪力进行比较，当计算出的整体破坏模式下的节点核心区剪力大于局部破坏模式下的节点核心区剪力时，调整高低钢梁高度差值_bd₁-_bd₂，重新计算剪力，直至计算出整体破坏模式下的节点核心区剪力小于局部破坏模式下的节点核心区剪力，取此时计算出的整体破坏模式下的节点核心区剪力_pQ_y。该方法具有明确计算依据，计算结果准确可靠，可为高低钢梁方钢管混凝土柱节点剪力的计算提供依据，且具有简便和实用的特点，对高低钢梁方钢管混凝土柱节点剪力的计算具有实际意义。

Claims (10)

1.一种不对称钢梁方钢管柱节点剪力评价方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，预设高低钢梁方钢管混凝土柱节点的几何尺寸、所采用的钢材型号及混凝土等级，包括钢管(3)强度(_sσ_y)和混凝土的抗压强度(_cσ_B)；

步骤二，计算得到混凝土核心区边长(_cD)和钢管(3)腹板截面面积(_sA_w)，计算公式如下：

_cD＝_sD-2_st

_sA_w＝2·_st·_sD

其中，_sD为钢管(3)边长，_st为钢管(3)截面壁厚；

步骤三，计算柱轴压比(N/N₀)，其中，钢管混凝土柱截面抗压承载力N₀＝A_ssσ_y+A_cf_ck，f_ck为混凝土抗压强度标准值；

步骤四，计算钢管(3)剪力_psQ_y；

步骤五，计算整体/局部破坏模式下的附属混凝土斜压角θ_s；

步骤六，计算钢管(3)弯矩_fM_s；

步骤七，计算整体/局部破坏模式下的混凝土的极限受压承载力_pcQ_u；

步骤八，计算整体/局部破坏模式下的核心区混凝土剪力系数_pβ与核心区混凝土剪力_pcQ_y；

步骤九，计算整体/局部破坏模式下的节点核心区的剪力_pQ_y；

步骤十，当计算出的整体破坏模式下的节点核心区剪力大于局部破坏模式下的节点核心区剪力时，调整高低钢梁高度差值_bd₁-_bd₂，重新计算剪力，直至计算出整体破坏模式下的节点核心区剪力小于局部破坏模式下的节点核心区剪力，取此时计算出的整体破坏模式下的节点核心区剪力_pQ_y。

2.根据权利要求1所述的不对称钢梁方钢管柱节点剪力评价方法，其特征在于，所述步骤四，钢管(3)剪力_psQ_y的确定：

钢管(3)的剪力的计算公式如下：

3.根据权利要求2所述的不对称钢梁方钢管柱节点剪力评价方法，其特征在于，所述步骤四中钢管(3)截面压应力(_sσ₀)按钢管(3)和混凝土强度进行分配；计算公式如下：

式中，A_s钢管(3)壁截面面积，A_c为混凝土截面面积。

4.根据权利要求1所述的不对称钢梁方钢管柱节点剪力评价方法，其特征在于，所述步骤五，附属混凝土斜压角的确定：

当节点受到整体破坏时，高梁(4)侧与低梁(5)侧的附属混凝土斜压角分别为θ_s1和θ_s2，计算公式如下：

当节点受到局部破坏时，高梁(4)侧与低梁(5)侧的附属混凝土斜压角为θ_s2，计算公式如下：

所述的整体破坏是指于低梁(5)侧施加负压力，高梁(4)侧施加正压力；局部破坏是指于低梁(5)侧施加正压力，高梁(4)侧施加负压力。

5.根据权利要求1所述的不对称钢梁方钢管柱节点剪力评价方法，其特征在于，所述步骤六，钢管(3)弯矩_fM_s的计算公式如下：

6.根据权利要求1所述的不对称钢梁方钢管柱节点剪力评价方法，其特征在于，所述步骤七，混凝土的极限受压承载力_pcQ_u的确定：

当受到整体破坏时其计算公式如下：

当受到局部破坏时其计算公式如下：

7.根据权利要求1所述的不对称钢梁方钢管柱节点剪力评价方法，其特征在于，所述步骤八，核心区混凝土剪力系数_pβ与核心区混凝土剪力_pcQ_y确定：

在整体破坏下系数_pβ计算公式如下：

在局部破坏下系数_pβ计算公式如下：

核心区混凝土剪力_pcQ_y计算公式如下：

_pcQ_y＝_pβ·_pcQ_u。

8.根据权利要求1所述的不对称钢梁方钢管柱节点剪力评价方法，其特征在于，所述步骤九，将钢管(3)和核心区混凝土的剪力进行叠加得到节点核心区的剪力_pQ_y，计算公式如下：

_pQ_y＝_psQ_y+_pcQ_y。

9.根据权利要求6所述的不对称钢梁方钢管柱节点剪力评价方法，其特征在于，所述步骤七中所阐述的节点核心区混凝土极限受压承载力_pcQ_u由主混凝土斜压杆(1)与附属混凝土斜压杆(2)共同组成；

整体破坏作用下主混凝土斜压杆(1)极限受压承载力公式如下：

整体破坏作用下附属混凝土斜压杆(2)极限受压承载力公式如下：

局部破坏作用下主混凝土斜压杆(1)极限受压承载力公式如下：

局部破坏作用下附属混凝土斜压杆(2)极限受压承载力公式如下：

其中，_cD为混凝土核心区边长，即_sD-2_st；_cσ_B混凝土的抗压强度；θ_s1为高梁(4)附属混凝土斜压角；θ_s2为低梁(5)附属混凝土斜压角；_fM_s为钢管(3)弯矩；_pc1Q_u为主混凝土斜压杆(1)极限受压承载力；_pc2Q_u为附属混凝土斜压杆(2)极限受压承载力。

10.根据权利要求1所述的不对称钢梁方钢管柱节点剪力评价方法，其特征在于，所述步骤一测定高低钢梁方钢管混凝土柱节点各构件的物理几何参数值，包括高低梁中的高梁(4)高度(_bd₁)、低梁(5)高度(_bd₂)、钢管(3)边长(_sD)和钢管(3)截面壁厚(_st)。