CN111650363A - 型钢-钢纤维混凝土结构任意界面处相对滑移值计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了型钢‑钢纤维混凝土结构任意界面处相对滑移值计算方法,属于结构位移计算技术领域,充分考虑了加载不同阶段对界面相对滑移值计算的影响,根据实际试验数据绘制出自由端与加载端的荷载‑位移曲线,确定相关特征点;对自由端曲线优化处理得到荷载‑相对滑移曲线,并确定任意荷载下自由端处的相对滑移值ΔSf;以自由端界面为零点,x轴正向指向加载端,确定从零点到任意界面处长度范围内混凝土的压缩变形Δc(x)和型钢的压缩变形Δs(x);根据相对滑移值计算公式确定任意界面处相对滑移值ΔS(x);根据多次试验验证其计算结果,可靠性较高,计算过程简洁,可为型钢‑钢纤维混凝土组合结构的研究提供新思路。
Description
技术领域
本发明属于结构位移计算技术领域,具体涉及型钢-钢纤维混凝土结构任意界面处相对滑移值计算方法。
背景技术
型钢-混凝土结构是由型钢、钢筋、混凝土三种材料协调工作,基于型钢与混凝土的界面黏结,共同抵抗各种外部作用的一种高性能结构,多适用于桥梁、高层建筑、抗震要求较高的地区以及抗火要求较高的结构,虽然型钢-混凝土结构在刚度、承载性能和抗震性能等方面较传统的钢筋混凝土结构更加优异,但在实际工程中也存在一些问题。比如,在梁柱和剪力墙中,以及节点处,由于型钢和钢筋笼的同时设置,都出现了两者在不同程度上的位置冲突。为了解决此问题,经常在型钢的翼缘和腹板处开洞以保证钢筋不被截断。但是这样不但增加了施工的困难,而且由于翼缘和腹板的开洞削弱了型钢的抗弯和抗剪性能,并且由于钢筋笼和型钢的同时布置,混凝土填充孔隙小,造成混凝土浇筑难度变大,容易出现混凝土浇筑不密实、质量差的现象。
型钢-钢纤维混凝土组合结构,将传统的钢筋笼从型钢-混凝土结构中移除,在混凝土中添加钢纤维,并将型钢与钢纤维混凝土进行合理组合。一方面,由于钢纤维提供的桥接作用,能够有效的阻止混凝土内部的裂缝的产生和发展,提高混凝土的韧性以及界面间的挤压作用和黏结强度。另一方面,移除钢筋笼后可以增加型钢横截面尺寸,使型钢翼缘更远离中性轴,从而更有效的利用型钢的抗弯性能,型钢腹板高度的增加也可以提高型钢的抗剪性能,不再设置钢筋笼,避免了对型钢进行开洞和采用钢筋连接器等操作,混凝土的浇筑质量也易于保证。
关于型钢与混凝土之间相对位移的计算,国内外学者并未形成一定的在任意界面处的相对滑移值的计算方法。
发明内容
发明目的:本发明的目的在于提供型钢-钢纤维混凝土结构任意界面处相对滑移值计算方法,计算过程简洁明了,可为型钢-钢纤维混凝土组合结构的设计提供一定的依据。
技术方案:为实现上述目的,本发明提供如下技术方案:
型钢-钢纤维混凝土结构任意界面处相对滑移值计算方法,包括如下步骤:
步骤一,根据实际试验数据绘制出自由端与加载端的荷载-位移曲线,确定相关特征点;
步骤二,确定型钢-钢纤维混凝土的基本参数;
步骤三,根据步骤一和步骤二确定的相关数据计算得到黏结残余应力τr和摩擦应力τf;
步骤四,对自由端荷载-位移曲线进行优化处理确定荷载-相对滑移曲线,并确定任意荷载下自由端处的相对滑移值ΔSf;
步骤五,以自由端界面为零点,x轴正向指向加载端,通过积分确定从零点到任意界面处长度范围内混凝土的压缩变形Δc(x)和型钢压缩变形Δs(x);
步骤六,根据相对滑移值计算公式确定任意界面处相对滑移值ΔS(x)。
进一步地,步骤一中,所述的相关特征点包括:
(1)自由端屈服荷载Py1以及对应的位移Sy1;
(2)加载端屈服荷载Py2以及对应的位移Sy2;
(3)残余荷载Pr;
(4)摩擦荷载Pf。
进一步地,步骤二中,所述的基本参数包括:
(1)钢纤维混凝土受力面积Ac;
(2)钢纤维混凝土弹性模量Ec;
(3)型钢受力面积As;
(4)型钢弹性模量Es;
(5)型钢横截面周长Ca;
(6)黏结长度le。
进一步地,步骤三中,所述的黏结残余应力τr和摩擦应力τf计算公式为:
其中P取值Pr和Pf,Pr和Pf通过荷载-滑移曲线得到。
进一步地,步骤四中,所述的优化处理的方法是取自由端屈服荷载Py1之后(到达屈服荷载Py1后自由端出现相对滑移)的每一个试验数据点,将位移值S减去自由端上部型钢的压缩变形值得到自由端的相对滑移值,从而绘制出自由端的荷载-相对位移曲线,公式如下:
进一步地,步骤五中,所述的压缩变形Δc(x)计算方法公式为:
所述的型钢压缩变形Δs(x)计算方法公式为:
进一步地,步骤六重,所述的任意界面处相对滑移值ΔS(x)的计算如下:
在型钢-钢纤维混凝土的推出试验中,对于混凝土而言,x界面处混凝土沿着x轴负向的位移值为ΔSf+Δc(x),对于型钢而言,x界面处型钢沿着x轴负向的位移值为Δs(x);任意界面处相对滑移值ΔS(x)的计算公式:
ΔS(x)=ΔSf+Δc(x)-Δs(x)。
有益效果:与现有技术相比,本发明的型钢-钢纤维混凝土结构任意界面处相对滑移值计算方法,充分考虑了加载不同阶段对界面相对滑移值计算的影响,根据实际试验数据绘制出自由端与加载端的荷载-位移曲线,确定相关特征点;对自由端曲线优化处理得到荷载-相对滑移曲线,并确定任意荷载下自由端处的相对滑移值ΔSf;以自由端界面为零点,x轴正向指向加载端,确定从零点到任意界面处长度范围内混凝土的压缩变形Δc(x)和型钢的压缩变形Δs(x);根据相对滑移值计算公式确定任意界面处相对滑移值ΔS(x);根据多次试验验证其计算结果,可靠性较高,计算过程简洁,可为型钢-钢纤维混凝土组合结构的研究提供新思路。
附图说明
图1为荷载-位移曲线特征点的取值示意图;
图2为荷载-相对滑移曲线示意图;
图3为任意界面处相对滑移计算方法的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作更进一步的说明。
型钢-钢纤维混凝土结构任意界面处相对滑移值计算方法,具体包括如下步骤:
步骤一,根据实际试验数据绘制出自由端与加载端的荷载-位移曲线,确定相关特征点;
步骤二,确定型钢-钢纤维混凝土的基本参数;
步骤三,根据步骤一和步骤二确定的相关数据计算得到黏结残余应力τr/MPa和摩擦应力τf/MPa;
步骤四,对自由端荷载-位移曲线进行优化处理确定荷载-相对滑移曲线,并确定任意荷载下自由端处的相对滑移值ΔSf/mm;
步骤五,以自由端界面为零点,x轴正向指向加载端,通过积分确定从零点到任意界面处长度范围内混凝土的压缩变形Δc(x)/mm和型钢压缩变形Δs(x)/mm;
步骤六,根据相对滑移值计算公式确定任意界面处相对滑移值ΔS(x)/mm。
步骤一中,需要从荷载-位移曲线上确定的相关特征点包括:
(1)自由端屈服荷载Py1/kN以及对应的位移Sy1/mm;
(2)加载端屈服荷载Py2/kN以及对应的位移Sy2/mm;
(3)残余荷载Pr/kN;
(4)摩擦擦荷载Pf/kN。
步骤二中,需要确定型钢-钢纤维混凝土的基本参数包括:
(1)钢纤维混凝土受力面积Ac/mm2;
(2)钢纤维混凝土弹性模量Ec/MPa;
(3)型钢受力面积As/mm2;
(4)型钢弹性模量Es/MPa;
(5)型钢横截面周长Ca/mm;
(6)黏结长度le/mm。
步骤三中,黏结界面发生相对滑移产生的黏结残余应力τr和摩擦应力τf计算公式为:
其中P取值Pr和Pf,Pr和Pf通过荷载-滑移曲线得到。
步骤四中,对自由端荷载-位移曲线的优化处理方法是取自由端屈服荷载Py1之后(到达屈服荷载Py1后自由端出现相对滑移)的每一个试验数据点,将位移值S减去自由端上部型钢的压缩变形值得到自由端的相对滑移值,从而绘制出自由端的荷载-相对位移曲线,公式如下:
步骤五中,从零点到任意界面处长度范围内混凝土的压缩变形Δc(x)计算方法具体如公式:
从零点到任意界面处长度范围内型钢的压缩变形Δs(x)计算方法具体如公式:
步骤六中,混凝土和型钢位移值的计算理论如下:
在型钢-钢纤维混凝土的推出试验中,对于混凝土而言,x界面处混凝土沿着x轴负向的位移值为ΔSf+Δc(x),对于型钢而言,x界面处型钢沿着x轴负向的位移值为Δs(x)。任意界面处相对滑移值的计算公式:
ΔS(x)=ΔSf+Δc(x)-Δs(x)。
实施例
如图1-3所示,型钢-钢纤维混凝土结构任意界面处相对滑移值计算方法,包括如下步骤:
步骤一,如图1所示,根据实际试验数据绘制出自由端与加载端的荷载-位移曲线,确定相关特征点,包括:
(1)自由端屈服荷载Py1以及对应的位移Sy1;
(2)加载端屈服荷载Py2以及对应的位移Sy2;
(3)残余荷载Pr;
(4)摩擦擦荷载Pf。
步骤二,确定型钢-钢纤维混凝土的基本参数,包括:
(1)钢纤维混凝土受力面积Ac有:18166.7mm2、30919.1mm2、46850.6mm2;
(2)钢纤维混凝土弹性模量Ec=32599.84MPa;
(3)取No.10工字钢,型钢受力面积As=1430mm2;
(4)型钢弹性模量Es=207400MPa;
(5)型钢横截面周长Ca=460mm;
(6)黏结长度le有:320mm、400mm、600mm、640mm。
步骤四,对自由端荷载-位移曲线进行优化处理确定荷载-相对滑移曲线,并确定任意荷载下自由端处的相对滑移值ΔSf;
步骤五,以自由端界面为零点,x轴正向指向加载端,通过积分确定从零点到任意界面处长度范围内混凝土的压缩变形Δc(x)和型钢压缩变形Δs(x):
步骤六,如图2所示,得到相对滑移与自由端相对滑移、混凝土压缩变形和型钢压缩变形的关系,根据相对滑移值计算公式确定任意界面处相对滑移值ΔS(x):
ΔS(x)=ΔSf+Δc(x)-Δs(x)。
步骤七,如图3所示,最终计算列出加载端和自由端位置处的相对滑移为例。
需要说明的是,以上说明仅是本发明的优选实施方式,应当理解,对于本领域技术人员来说,在不脱离本发明技术构思的前提下还可以做出若干改变和改进,这些都包括在本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.型钢-钢纤维混凝土结构任意界面处相对滑移值计算方法,其特征在于:包括如下步骤:
步骤一,根据实际试验数据绘制出自由端与加载端的荷载-位移曲线,确定相关特征点;
步骤二,确定型钢-钢纤维混凝土的基本参数;
步骤三,根据步骤一和步骤二确定的相关数据计算得到黏结残余应力τr和摩擦应力τf;
步骤四,对自由端荷载-位移曲线进行优化处理确定荷载-相对滑移曲线,并确定任意荷载下自由端处的相对滑移值ΔSf;
步骤五,以自由端界面为零点,x轴正向指向加载端,通过积分确定从零点到任意界面处长度范围内混凝土的压缩变形Δc(x)和型钢压缩变形Δs(x);
步骤六,根据相对滑移值计算公式确定任意界面处相对滑移值ΔS(x)。
2.根据权利要求1所述的型钢-钢纤维混凝土结构任意界面处相对滑移值计算方法,其特征在于:步骤一中,所述的相关特征点包括:
(1)自由端屈服荷载Py1以及对应的位移Sy1;
(2)加载端屈服荷载Py2以及对应的位移Sy2;
(3)残余荷载Pr;
(4)摩擦荷载Pf。
3.根据权利要求2所述的型钢-钢纤维混凝土结构任意界面处相对滑移值计算方法,其特征在于:步骤二中,所述的基本参数包括:
(1)钢纤维混凝土受力面积Ac;
(2)钢纤维混凝土弹性模量Ec;
(3)型钢受力面积As;
(4)型钢弹性模量Es;
(5)型钢横截面周长Ca;
(6)黏结长度le。
7.根据权利要求6所述的一种型钢-钢纤维混凝土结构任意界面处相对滑移值计算方法,其特征在于:步骤六重,所述的任意界面处相对滑移值ΔS(x)的计算如下:
在型钢-钢纤维混凝土的推出试验中,对于混凝土而言,x界面处混凝土沿着x轴负向的位移值为ΔSf+Δc(x),对于型钢而言,x界面处型钢沿着x轴负向的位移值为Δs(x);任意界面处相对滑移值ΔS(x)的计算公式:
ΔS(x)=ΔSf+Δc(x)-Δs(x)。
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