CN110889159B - 一种外包波纹侧板混凝土组合梁的抗剪承载力计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种外包波纹侧板‑混凝土组合梁抗剪承载力的计算方法，包括如下步骤：获取外包波纹侧板‑混凝土组合梁的钢顶板和底板的厚度、波纹侧板的厚度和波高、梁截面高度和宽度、混凝土的轴心抗拉强度和波纹侧板的屈服强度；根据公式(1)即可计算得到外包波纹侧板‑混凝土组合梁抗剪承载力Vu。Vu＝Vcu+Vsu+ω(η)。
Description
技术领域
本发明涉及一种外包波纹侧板-混凝土组合梁的抗剪承载力计算方法，属于组合梁结构技术领域。
背景技术
随着时代的进步，经济的发展，普通的钢筋混凝土梁已无法满足高层结构与大跨度结构设计的要求，组合结构因此受到大家的关注，并且不断运用于现代的建筑设计中。外包钢-混凝土组合梁就是充分利用混凝土的抗拉性能和钢材的抗压性能的一种组合结构。通常，外包钢-混凝土组合梁的外包钢部分是由直钢板组成。但是，在外荷载或地震的作用下，这种梁内部混凝土与外包钢板容易产生滑移、脱开，整体性较差，且外包钢腹板承担大部分剪力，因此对直钢板的厚度和屈服强度有较高的要求。为增强外包钢-混凝土组合梁的整体性，充分发挥材料性能，提升经济性能，将波纹板代替直钢板的做法逐渐被关注和认可，外包波纹侧板-混凝土组合梁的立体结构如图1所示，用波纹侧板代替腹板位置处的直钢板，并与顶板、底板、端板通过焊接形成钢外壳，在钢外壳内预埋预应力筋并浇筑混凝土。外包波纹侧板-混凝土组合梁的结构剖面图如图2所示，其中bf、hf为楼板的宽度和高度，tu、td分别为钢顶板和底板的厚度，tw、hr为波纹侧板的厚度和波高，h、b为梁截面高度和宽度，ft、fy为混凝土的轴心抗拉强度和波纹侧板的屈服强度。在外包波纹侧板-混凝土组合梁中，由于梁的抗剪承载能力主要由腹板承担，相同条件下，腹板越厚，承载能力越大，因此波纹侧板较小的厚度能够为组合梁提供更大的抗剪承载能力；此外，波纹板增强与内部混凝土的粘结，增大接触面积，可以对混凝土提供更有效的约束，充分发挥材料性能，又能节约抗剪连接件，有效提高构件的性能和制作成本。
对于梁而言，其发生受剪破坏为脆性破坏，在工程应用中要避免这种情况的发生，因此抗剪承载能力至关重要。一般的，组合梁抗剪承载力的获得方法一般是试验法、模拟法或公式计算法，由于试验的成本较高，模拟和计算的方法则为更常用的方法。针对普通的外包钢-混凝土组合梁的抗剪承载力的模拟和计算公式相对较成熟，但是针对此类外包钢为波纹侧板的组合梁而言，由于其结构变化较大，影响因素较多，目前针对其抗剪承载能力的模拟和计算公式还不充分。尽管模拟方法如有限元模拟能够较准确的模拟得到组合梁的抗剪承载力，但是有限元模拟的过程较繁琐和复杂，十分耗费时间。在公式计算法中，现有的规范规程中的计算方法从理论上主要分为以下两类。第一类仅考虑钢材的抗剪承载力；第二类为叠加理论，即认为组合梁的抗剪承载力由内部混凝土和外包钢的抗剪承载力叠加而成，单独计算出混凝土和外包钢分别承担的承载力，再叠加即可得到构件的抗剪承载力。因为波纹侧板的抗剪性能较好，而上述公式适用于直钢板，波纹侧板的抗剪承载能力远远大于直钢板，因此上述公式都不能非常准确的计算其抗剪承载力。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种外包波纹侧板-混凝土组合梁抗剪承载力的计算方法，通过本发明方法能够快速的计算得到外包波纹侧板-混凝土组合梁抗剪承载力，可以根据此数据设计相应的结构，以防止外包波纹侧板-混凝土组合梁受剪破坏的产生。本发明计算得到的数值准确，且方法简单快捷，具有良好的应用前景。
一种外包波纹侧板-混凝土组合梁抗剪承载力的计算方法，包括如下步骤：
S1，获取外包波纹侧板-混凝土组合梁的钢顶板和底板的厚度、波纹侧板的厚度和波高、梁截面高度和宽度、混凝土的轴心抗拉强度和波纹侧板的屈服强度；
S2，根据公式(1)即可计算得到外包波纹侧板-混凝土组合梁抗剪承载力Vu，
Vu＝Vcu+Vsu+ω(η) (1)，
式中，Vcu为混凝土的抗剪承载力，计算公式见公式(2)；
Vsu为钢材的抗剪承载力，计算公式见公式(3)；
ω为组合效应修正系数，计算公式见公式(4)
Vcu＝αcvftb(h-hf-td) (2)，
Vsu＝fyAw (3)，
ω＝-2.6η2+2300η-160000 (4)，
式中，αcv为混凝土受剪承载力系数，一般构件为0.7，集中荷载下，
λ为计算截面的剪跨比，取λ＝a/hw，其中hw＝h-hf-td-tu；
a为集中荷载作用点至支座截面的距离.当λ<0.5时，取0.5，当λ>3时，取3；
ft为混凝土的轴心抗拉强度，N/mm2；
fy为波纹侧板的屈服强度，N/mm2；
Aw为波纹侧板的总截面面积，Aw＝2(h-hf-tu-td)tw；
η为综合影响变量
在本发明的一种实施方式中，η为综合影响变量，反应了钢材强度、混凝土强度、波纹侧板厚度以及剪跨比对外包波纹侧板-混凝土组合梁抗剪承载力的影响。
在本发明的一种实施方式中，所述波纹侧板的厚度为1-2mm。因为波纹侧板的抗剪性能比较好，厚度太大不会发生抗剪破坏，而是受弯破坏；厚度太小的话，工程应用中不易采购。
在本发明的一种实施方式中，所述混凝土为C30、C40、C50、C60中的任一种。
在本发明的一种实施方式中，所述钢材为Q345、Q390、Q420、Q460中的任一种。
在本发明的一种实施方式中，所述组合梁的剪跨比为1.5-2.0。
在本发明的一种实施方式中，本发明的外包波纹侧板-混凝土组合梁抗剪承载力的计算方法中忽略了预应力筋和楼板对承载力的贡献，在实际试验中发现这两部分提供的抗剪承载力相较于混凝土和波纹侧板很小，因此可以忽略；分别考虑波纹侧板和内部混凝土对组合梁受剪承载力的贡献，并在此基础上引入组合效应修正系数，得到一种外包波纹侧板-混凝土组合梁抗剪承载力的计算方法。
其次，本发明还提供了一种外包波纹侧板-混凝土组合梁的设计方法，根据上述计算方法计算得到设计的外包波纹侧板-混凝土组合梁抗剪承载力Vu应不小于实际使用过程中出现的极限受弯承载力。
本发明的优点和效果：
(1)本发明通过计算得到外包波纹侧板-混凝土组合梁的抗剪承载力，根据此数据指导能够防止外包波纹侧板-混凝土组合梁发生受剪破坏，无需对其进行繁琐复杂的模拟计算过程，且本发明方法中计算得到的抗剪承载力与模拟值相符，普通叠加法误差在50％-60％，本发明误差在15％以内，准确度高，具有较好的应用前景。
(2)本发明方法方便快捷，仅需要外包波纹侧板-混凝土组合梁的相关尺寸和材质等信息即可计算得到外包波纹侧板-混凝土组合梁的抗剪承载力，解决防止出现外包波纹侧板-混凝土组合梁受剪破坏的问题，大大节约了工程师的时间成本。无需要大量的试验和数值模拟。
(3)本发明引入了修正系数，使计算公式值更接近实际值，且将几个影响参数变成一个综合影响参数，较简便。
(4)本发明中η为综合影响变量，反应了钢材强度、混凝土强度、波纹侧板厚度以及剪跨比对外包波纹侧板-混凝土组合梁抗剪承载力的影响。
附图说明
图1为本发明外包波纹侧板-混凝土组合梁的立体结构图。
图2为本发明外包波纹侧板-混凝土组合梁的剖面结构示意图
图3为本发明波纹侧板应变片粘贴位置示意图。
图4为本发明实施例1具体尺寸示意图。
图中，1、上翼缘钢板；2、槽钢；3、波纹板；4、下翼缘钢板。
具体实施方式
为了对本发明的技术方案、目的和效果有更清楚的理解，现结合附图以及实施例对本发明进行进一步的阐述：
下述实施例中涉及的检测方法如下：
外包波纹侧板-混凝土组合梁抗剪承载力检测方法：采用静力加载试验，梁端采用平面铰连接方式，初期采用荷载控制加载方式，预加载200kN，检查加载设备及各测点工作情况，确定组合梁受载状态是否正常，之后每级加载50kN，每级持荷不少于1min。极限荷载之后采用位移控制进行逐级加载，每级增量1mm，当试件波纹侧板出现明显鼓曲变形时改为缓慢连续加载，直至试件破坏时停止加载。试验中组合梁共布置9个位移传感器来测量试件的位移，变形等；在试件的剪跨段支座和加载点的连线上布置应变花，共3个；测量试验过程中剪应力的变化；跨中部位沿钢梁的高度方向布置5个应变片，钢梁底部中点布置3个应变片，U型钢的顶板上布置1个应变片，以测量加载过程中跨中部位钢梁应变的变化；跨中楼板上布置1个单向应变片，其中波纹板应变测点贴于波峰处，具体应变片的布置如图3所示。
有限元模拟的方法利用大型仿真程序Abaqus，其模拟值能够准确的模拟实验数值，是本领域技术人员常用的模拟计算方法。
现结合实例1介绍一下Abaqus的一般步骤：
1.创建部件：混凝土采用实体单元C3D8R，波纹侧板采用壳单元S4R。
2.设置材料和截面特性：输入钢材的密度、杨氏模量、泊松比、屈服应力和屈服应变；输入混凝土的密度、杨氏模量、泊松比和混凝土本构关系。
3.定义装配件：将部件按指定位置组装在一起。
4.设定分析步和变量输出：设定一个初始步为边界条件，再设定一个分析步用于加载。
5.施加荷载和边界条件：将互相接触的部件选用tie命令。采用位移加载的方式，设定最大位移荷载为200毫米。
6.划分网格：根据不同的计算精度对各部位划分网格。网格的密度大小主要影响计算的精度和时间。
7.提交作业：创立一个工作名称开始模拟计算。
8.结果后处理：计算完成后可以通过后处理获取想要的数据。
实施例1
外包波纹侧板-混凝土组合梁为C40混凝土；波纹侧板和其他钢材为Q345钢；波纹板厚度为1mm，选用1mm的原因是1mm比较容易发生受剪破坏，更薄不易采购，更厚不会发生受剪破坏。具体尺寸如图4所示，上翼缘钢板1的尺寸为80*8，槽钢2尺寸为@200，波纹板3尺寸为W75*16*1，下翼缘钢板4尺寸为220*8，单位均为mm。
本实施例的外包波纹侧板-混凝土组合梁的极限承载力试验值为通过外包波纹侧板-混凝土组合梁抗剪承载力检测方法这一方法检测得出的715.0kN，用有限元模拟计算出模拟值为755kN，说明大型仿真程序Abaqus的结果是可靠的。
按照本发明的计算公式可得本实施例中外包波纹侧板-混凝土组合梁的抗剪承载力Vu为711.6kN，用Abaqus程序(有限元模拟)计算出模拟值为755kN，试验值为715.0kN，结果相差不大，误差仅为5.7％和0.5％。由此可知，按照本发明的计算公式能够获得外包波纹侧板-混凝土组合梁的抗剪承载力，在实际工程应用中，当载荷不大于711kN时，则能防止外包波纹侧板-混凝土组合梁发生受剪破坏。
由于试验过程会损坏多根梁，因此，后续实施例中采用有限元模拟得到的极限承载力与本发明的实验数据进行对比。
对比例2
仅改变了剪跨比，本对比例中的剪跨比为2.0，其余数据和实施例1一致，用Abaqus有限元软件计算出的承载力Vu，t如表1所示。
对比例3
对比例3改变了钢材强度等级这一变量，强度等级为345-460MPa，其余数据和实施例1一致，用Abaqus有限元软件计算出的承载力Vu，t如表1所示。
对比例4
对比例4改变了钢材强度等级这一变量，强度等级为345-460MPa，其余数据和实施例1一致，用Abaqus有限元软件计算出的承载力Vu，t如表1所示。
对比例5
对比例2改变了钢材强度等级这一变量，强度等级为345-460MPa，其余数据和实施例1一致，用Abaqus有限元软件计算出的承载力Vu，t如表1所示。
对比例6
本对比例仅改变了波纹侧板厚度，为2mm，其余数据和实施例1一致，用Abaqus有限元软件计算出的承载力Vu，t如表1所示。
对比例7
本对比例改变了混凝土强度等级，强度等级为30-60MPa，其余数据和实施例1一致，用Abaqus有限元软件计算出的承载力Vu，t如表1所示。
对比例8
本对比例改变了混凝土强度等级，强度等级为30-60MPa，其余数据和实施例1一致，用Abaqus有限元软件计算出的承载力Vu，t如表1所示。
对比例9
本对比例改变了混凝土强度等级，强度等级为30-60MPa，其余数据和实施例1一致，用Abaqus有限元软件计算出的承载力Vu，t如表1所示。
将实施例1和对比例2～9的数据整合后如表1可知，本发明计算外包波纹侧板-混凝土组合梁的抗剪承载力与模拟结果一致。因此，本发明能够计算得到准确的外包波纹侧板-混凝土组合梁的抗剪承载力，为设计或使用过程中防止外包波纹侧板-混凝土组合梁发生受剪破坏提供了一种简便且准确度高的方法，节省了大量的时间成本，无需复杂的计算或者试验，即可实现此目的。
表1本发明实施例1～9的极限承载力的计算值和模拟值的比较
注：Vu,c和Vu,t分别为利用本发明的公式(1)和有限元模拟和计算得到的外包波
纹侧板-混凝土组合梁的抗剪承载力；*为试验测量值。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。
Claims (7)
1.一种外包波纹侧板-混凝土组合梁抗剪承载力的计算方法，包括如下步骤：
S1，获取外包波纹侧板-混凝土组合梁的钢顶板和底板的厚度、波纹侧板的厚度和波高、梁截面高度和宽度、混凝土的轴心抗拉强度和波纹侧板的屈服强度；
S2，根据公式(1)即可计算得到外包波纹侧板-混凝土组合梁抗剪承载力Vu，
Vu＝Vcu+Vsu+ω(η) (1)，
式中，Vcu为混凝土的抗剪承载力，计算公式见公式(2)；
Vsu为钢材的抗剪承载力，计算公式见公式(3)；
ω为组合效应修正系数，计算公式见公式(4)；
Vcu＝αcvftb(h-hf-td) (2)，
Vsu＝fyAw (3)，
ω＝-2.6η2+2300η-160000 (4)，
式中，αcv为混凝土受剪承载力系数，一般构件为0.7，集中荷载下，λ为计算截面的剪跨比，取λ＝a/hw，其中hw＝h-hf-td-tu；
a为集中荷载作用点至支座截面的距离，当λ<0.5时，取0.5，当λ>3时，取3；
ft为混凝土的轴心抗拉强度，N/mm2；
fy为波纹侧板的屈服强度，N/mm2；
Aw为波纹侧板的总截面面积，Aw＝2(h-hf-tu-td)tw；
η为综合影响变量
2.根据权利要求1所述的一种外包波纹侧板-混凝土组合梁抗剪承载力的计算方法，其特征在于，波纹侧板的厚度为1-2mm。
3.根据权利要求1所述的一种外包波纹侧板-混凝土组合梁抗剪承载力的计算方法，其特征在于，混凝土为C30、C40、C50、C60中的任一种。
4.根据权利要求1所述的一种外包波纹侧板-混凝土组合梁抗剪承载力的计算方法，其特征在于，钢材为Q345、Q390、Q420、Q460中的任一种。
5.根据权利要求1所述的一种外包波纹侧板-混凝土组合梁抗剪承载力的计算方法，其特征在于，组合梁的剪跨比为1.5-2.0。
6.根据权利要求1所述的一种外包波纹侧板-混凝土组合梁抗剪承载力的计算方法，其特征在于，忽略预应力筋和楼板对承载力的贡献，分别考虑波纹侧板和内部混凝土对组合梁受剪承载力的贡献。
7.一种外包波纹侧板-混凝土组合梁的设计方法，其特征在于，根据上述外包波纹侧板-混凝土组合梁抗剪承载力的计算方法计算得到设计的外包波纹侧板-混凝土组合梁抗剪承载力Vu大于或等于实际使用过程中出现的极限受弯承载力。
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