CN110455867A - 方钢管混凝土柱核心混凝土约束区界限识别装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种方钢管混凝土柱核心混凝土约束区界限识别装置及方法，涉及土木工程技术领域，它包括柱端板、方钢管、横隔板、圆弧槽形钢板、应变片和静态电阻应变仪，两个柱端板之间设有横隔板，横隔板之间以及横隔板与柱端板之间均焊接有方钢管，方钢管的两个相邻立面的中心处均开设圆孔，两个圆孔之间穿有圆弧槽形钢板，圆弧槽形钢板的圆弧槽内贴有应变片，应变片通过导线与静态电阻应变仪连接，圆弧槽形钢板与方钢管之间浇筑混凝土。本方钢管混凝土柱核心混凝土约束区界限识别装置及方法利用钢管混凝土柱内部混凝土的横向应变识别核心混凝土非有效约束区与核心混凝土有效约束区的界限，对准确推导设置横隔板方钢管混凝土柱承载力力提供依据。

Description

方钢管混凝土柱核心混凝土约束区界限识别装置及方法
技术领域：
本发明涉及土木工程技术领域，具体涉及方钢管混凝土柱核心混凝土约束区界限识别装置及方法。
背景技术：
截止2018年，我国已建成的高度250m以上的超高层建筑主要分布在长三角和珠三角地区，钢-混凝土混合结构占98.4%。钢-混凝土混合结构将钢材和混凝土两种材料组合应用于实际结构，具有构件截面小、自重轻、抗震性能好、施工速度快、维护成本低等优点。该种结构中，方钢管混凝土柱在我国超高层框架-筒体结构中应用广泛。鉴于方钢管混凝土柱对核心混凝土的约束能力有限，实际工程设计中，往往在柱中间隔一定距离设置横隔板，可以有效的增强柱的局部抗压能力，增强钢管对核心混凝土的约束作用等。
然而，现有国内外组合结构设计规范尚不能考虑横隔板横向约束效应的承载力贡献。核心混凝土非有效约束区为曲边梯形，当前研究中曲边梯形的曲线边与直线边夹角的取值范围为12°～45°，导致核心混凝土非有效约束区的面积总和计算差异较大，并伴随着核心混凝土有效约束面积值计算误差较大，因此考虑横隔板的约束效应时，推导的构件轴心抗压承载力计算公式计算误差较大。
发明内容：
本发明的目的是为了克服上述现有技术存在的不足之处，而提供一种方钢管混凝土柱核心混凝土约束区界限识别装置及方法，它利用所测设置横隔板的方钢管混凝土柱核心混凝土的内部横向应变，插值计算非有效与有效约束区的界限位置，进而确定曲边梯形的曲线边与直线边的夹角，为准确计算构件轴压承载力提供依据。
本发明采用的技术方案为：方钢管混凝土柱核心混凝土约束区界限识别装置，包括柱端板、方钢管、横隔板、圆弧槽形钢板、应变片和静态电阻应变仪，柱端板个数为两个，两个柱端板之间设有若干个横隔板，横隔板等间距布置在两个柱端板之间，两个相邻横隔板之间以及横隔板与柱端板之间均焊接有方钢管，两个横隔板之间的方钢管的两个相邻立面的中心处均开设圆孔，两个圆孔之间穿有圆弧槽形钢板，圆弧槽形钢板上与圆弧槽相对一侧焊接圆弧形横向加劲肋和纵向加劲肋，圆弧槽形钢板的圆弧槽内贴有应变片，应变片与导线的一端焊接，导线的另一端穿过圆孔与静态电阻应变仪连接，圆弧槽形钢板与方钢管之间浇筑混凝土。
所述的圆弧形横向加劲肋与纵向加劲肋垂直交叉布置。
所述的圆弧槽形钢板的两端均穿过圆孔，圆弧槽形钢板与圆孔接触处通过点焊连接。
所述的柱端板、方钢管和横隔板采用Q235级或Q345级钢材；所述的圆孔直径为11～13mm。
所述的圆弧槽形钢板翼缘宽度为2～4mm，腹板高度为7～9mm，采用Q235级1mm厚的钢板冷弯成型；所述的圆弧形横向加劲肋和纵向加劲肋均采用Q235级1mm厚钢板用线切割机床制作。
所述的应变片个数为七个，其中一个应变片贴于圆弧槽形钢板圆弧槽的中点位置，其余六个应变片等间距对称分布在中点应变片的两侧，间距为πa/24mm，a为方钢管的边长。
所述的应变片面层涂有石蜡保护层；所述的导线通过914胶水固定于圆弧槽形钢板的圆弧槽内。
所述的混凝土强度等级为C40～C50，混凝土的粗骨料粒径为9～11mm。
制作方法步骤如下：
1）柱端板的一端与方钢管及横隔板焊接形成设置横隔板的方钢管；
2）在两片横隔板中间的方钢管的相邻两个立面的中点处钻圆孔；
3）将圆弧形横向加劲肋焊接于圆弧槽形钢板上；
4）将纵向加劲肋焊接于圆弧形横向加劲肋及圆弧槽形钢板上；
5）将应变片贴于圆弧槽形钢板的圆弧槽内；
6）将导线与应变片焊接连接；
7）将圆弧槽形钢板、圆弧形横向加劲肋、纵向加劲肋、应变片和导线形成的集合体穿过圆孔，并将集合体点焊与圆孔边缘；
8）浇筑混凝土，并于28天后在钢管混凝土柱另一端焊接柱端板；
9）加载试验前，将圆弧槽形钢板、圆弧形横向加劲肋、纵向加劲肋、应变片和导线形成的集合体与圆孔的焊接点用角磨机切开；
10）通过静态电阻应变仪监测电阻的变化，记录数据，观察混凝土内部应变情况，通过电阻变化前后的插值计算非有效与有效约束区的界限位置。
本发明的有益效果是：装置制作简单、成本低、经济效果显著，利用钢管混凝土柱内部混凝土的横向应变识别核心混凝土非有效约束区与核心混凝土有效约束区的界限，对准确推导设置横隔板方钢管混凝土柱承载力提供依据。
附图说明：
图1是本发明结构意图；
图2是本发明局部放大图；
图3是本发明横剖面图；
图4是本发明圆弧槽形钢板结构图；
图5是本发明圆弧槽形钢板侧视图；
图6是本发明应变片分布及连接图。
具体实施方式：
参照各图，方钢管混凝土柱核心混凝土约束区界限识别装置，包括柱端板1、方钢管2、横隔板3、圆弧槽形钢板5、应变片8和静态电阻应变仪11，柱端板1个数为两个，两个柱端板1之间设有若干个横隔板3，横隔板3等间距布置在两个柱端板1之间，两个相邻横隔板3之间以及横隔板3与柱端板1之间均焊接有方钢管2，两个横隔板3之间的方钢管2的两个相邻立面的中心处均开设圆孔4，两个圆孔4之间穿有圆弧槽形钢板5，圆弧槽形钢板5上与圆弧槽相对一侧焊接圆弧形横向加劲肋6和纵向加劲肋7，圆弧槽形钢板5的圆弧槽内贴有应变片8，应变片8与导线9的一端焊接，导线9的另一端穿过圆孔4与静态电阻应变仪11连接，圆弧槽形钢板5与方钢管2之间浇筑混凝土10。所述的圆弧形横向加劲肋6与纵向加劲肋7垂直交叉布置。所述的圆弧槽形钢板5的两端均穿过圆孔4，圆弧槽形钢板5与圆孔4接触处通过点焊连接。所述的柱端板1、方钢管2和横隔板3采用Q235级或Q345级钢材；所述的圆孔4直径为11～13mm。所述的圆弧槽形钢板5翼缘宽度为2～4mm，腹板高度为7～9mm，采用Q235级1mm厚的钢板冷弯成型；所述的圆弧形横向加劲肋6和纵向加劲肋7均采用Q235级1mm厚钢板用线切割机床制作。所述的应变片8个数为七个，其中一个应变片8贴于圆弧槽形钢板5圆弧槽的中点位置，其余六个应变片8等间距对称分布在中点应变片8的两侧，间距为πa/24mm，a为方钢管2的边长。所述的应变片8面层涂有石蜡保护层；所述的导线9通过914胶水固定于圆弧槽形钢板5的圆弧槽内。所述的混凝土10强度等级为C40～C50，混凝土10的粗骨料粒径为9～11mm。
制作方法步骤如下：
1）柱端板1的一端与方钢管2及横隔板3焊接形成设置横隔板的方钢管；
2）在两片横隔板3中间的方钢管2的相邻两个立面的中点处钻圆孔4；
3）将圆弧形横向加劲肋6焊接于圆弧槽形钢板5上；
4）将纵向加劲肋7焊接于圆弧形横向加劲肋6及圆弧槽形钢板5上；
5）将应变片8贴于圆弧槽形钢板5的圆弧槽内；
6）将导线9与应变片8焊接连接；
7）将圆弧槽形钢板5、圆弧形横向加劲肋6、纵向加劲肋7、应变片8和导线9形成的集合体穿过圆孔4，并将集合体点焊与圆孔4边缘；
8）浇筑混凝土10，并于28天后在钢管混凝土柱另一端焊接柱端板1；
9）加载试验前，将圆弧槽形钢板5、圆弧形横向加劲肋6、纵向加劲肋7、应变片8和导线9形成的集合体与圆孔4的焊接点用角磨机切开；
10）通过静态电阻应变仪11监测电阻的变化，记录数据，观察混凝土10内部应变情况，通过电阻变化前后的插值计算非有效与有效约束区的界限位置。
本装置在使用时，导线9与静态电阻应变仪11相连，应变片8采集的应变信号通过静态电阻应变仪11，在同一采样频率内显示及记录。试件加载处在弹性阶段时，沿圆弧槽形钢板5中点的应变片8及两侧对称布置的六片应变片8在静态电阻应变仪11同一采样频率内，显示的应变数值是规律变化的。当试件加载处在弹塑性阶段，即核心混凝土非有效约束区与有效约束区界限形成时，沿圆弧槽形钢板5共有六个间隔，可以与两个核心混凝土非有效约束区与有效约束区界限面相交，界限面所在间隔两侧的应变片8的横向应变发生突变，根据此时应变片8的横向应变值及间隔的弦长，按插值计算核心混凝土非有效约束区与有效约束区界限位置。
其中，静态电阻应变仪11的生产厂家为江苏东华测试技术股份有限公司，型号为DH3816N。
本装置可以在构件进行轴向加载过程中时时采集核心混凝土的横向应变，通过识别装置的相邻横向应变片的应变变化，插值计算非有效与有效约束区的界限位置，进而确定曲边梯形的曲边与直边的夹角，为准确计算构件轴压承载力提供依据。该装置有助于合理评价横隔板约束效应的承载力贡献，对于确定横隔板的间距及数量即横隔板的合理用钢量有重要的指导意义，社会经济效益显著。
综上所述，本方钢管混凝土柱核心混凝土约束区界限识别装置及方法，装置制作简单、成本低、经济效果显著，利用钢管混凝土柱内部混凝土的横向应变识别核心混凝土非有效约束区与核心混凝土有效约束区的界限，对准确推导设置横隔板方钢管混凝土柱承载力力提供依据。

Claims (9)

1.一种方钢管混凝土柱核心混凝土约束区界限识别装置，其特征在于：包括柱端板（1）、方钢管（2）、横隔板（3）、圆弧槽形钢板（5）、应变片（8）和静态电阻应变仪（11），柱端板（1）个数为两个，两个柱端板（1）之间设有若干个横隔板（3），横隔板（3）等间距布置在两个柱端板（1）之间，两个相邻横隔板（3）之间以及横隔板（3）与柱端板（1）之间均焊接有方钢管（2），两个横隔板（3）之间的方钢管（2）的两个相邻立面的中心处均开设圆孔（4），两个圆孔（4）之间穿有圆弧槽形钢板（5），圆弧槽形钢板（5）上与圆弧槽相对一侧焊接圆弧形横向加劲肋（6）和纵向加劲肋（7），圆弧槽形钢板（5）的圆弧槽内贴有应变片（8），应变片（8）与导线（9）的一端焊接，导线（9）的另一端穿过圆孔（4）与静态电阻应变仪（11）连接，圆弧槽形钢板（5）与方钢管（2）之间浇筑混凝土（10）。
2.根据权利要求1所述的方钢管混凝土柱核心混凝土约束区界限识别装置，其特征在于：所述的圆弧形横向加劲肋（6）与纵向加劲肋（7）垂直交叉布置。
3.根据权利要求1所述的方钢管混凝土柱核心混凝土约束区界限识别装置，其特征在于：所述的圆弧槽形钢板（5）的两端均穿过圆孔（4），圆弧槽形钢板（5）与圆孔（4）接触处通过点焊连接。
4.根据权利要求1所述的方钢管混凝土柱核心混凝土约束区界限识别装置，其特征在于：所述的柱端板（1）、方钢管（2）和横隔板（3）采用Q235级或Q345级钢材；所述的圆孔（4）直径为11～13mm。
5.根据权利要求1所述的方钢管混凝土柱核心混凝土约束区界限识别装置，其特征在于：所述的圆弧槽形钢板（5）翼缘宽度为2～4mm，腹板高度为7～9mm，采用Q235级1mm厚的钢板冷弯成型；所述的圆弧形横向加劲肋（6）和纵向加劲肋（7）均采用Q235级1mm厚钢板用线切割机床制作。
6.根据权利要求1所述的方钢管混凝土柱核心混凝土约束区界限识别装置，其特征在于：所述的应变片（8）个数为七个，其中一个应变片（8）贴于圆弧槽形钢板（5）圆弧槽的中点位置，其余六个应变片（8）等间距对称分布在中点应变片（8）的两侧，间距为πa/24mm，a为方钢管（2）的边长。
7.根据权利要求1所述的方钢管混凝土柱核心混凝土约束区界限识别装置，其特征在于：所述的应变片（8）面层涂有石蜡保护层；所述的导线（9）通过914胶水固定于圆弧槽形钢板（5）的圆弧槽内。
8.根据权利要求1所述的方钢管混凝土柱核心混凝土约束区界限识别装置，其特征在于：所述的混凝土（10）强度等级为C40～C50，混凝土（10）的粗骨料粒径为9～11mm。
9.一种根据权利要求1所述的方钢管混凝土柱核心混凝土约束区界限识别装置的制作方法，其特征在于：制作方法步骤如下：
柱端板（1）的一端与方钢管（2）及横隔板（3）焊接形成设置横隔板的方钢管；
在两片横隔板（3）中间的方钢管（2）的相邻两个立面的中点处钻圆孔（4）；
将圆弧形横向加劲肋（6）焊接于圆弧槽形钢板（5）上；
将纵向加劲肋（7）焊接于圆弧形横向加劲肋（6）及圆弧槽形钢板（5）上；
将应变片（8）贴于圆弧槽形钢板（5）的圆弧槽内；
将导线（9）与应变片（8）焊接连接；
将圆弧槽形钢板（5）、圆弧形横向加劲肋（6）、纵向加劲肋（7）、应变片（8）和导线（9）形成的集合体穿过圆孔（4），并将集合体点焊与圆孔（4）边缘；
浇筑混凝土（10），并于28天后在钢管混凝土柱另一端焊接柱端板（1）；
加载试验前，将圆弧槽形钢板（5）、圆弧形横向加劲肋（6）、纵向加劲肋（7）、应变片（8）和导线（9）形成的集合体与圆孔（4）的焊接点用角磨机切开；
通过静态电阻应变仪（11）监测电阻的变化，记录数据，观察混凝土（10）内部应变情况，通过电阻变化前后的插值计算非有效与有效约束区的界限位置。
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