CN111650363B - 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

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ΔS_f；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

型钢-钢纤维混凝土结构任意界面处相对滑移值计算方法

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τ_r和摩擦应力τ_f；

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ΔS_f；

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P_y1以及对应的位移S_y1；

(2)加载端屈服荷载P_y2以及对应的位移S_y2；

(3)残余荷载P_r；

(4)摩擦荷载P_f。

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A_c；

(2)钢纤维混凝土弹性模量E_c；

(3)型钢受力面积A_s；

(4)型钢弹性模量E_s；

(5)型钢横截面周长C_a；

(6)黏结长度l_e。

进一步地，步骤三中，所述的黏结残余应力τ_r和摩擦应力τ_f计算公式为：

其中P取值P_r和P_f，P_r和P_f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P_y1之后(到达屈服荷载P_y1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ΔS_f+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)＝ΔS_f+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ΔS_f；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τ_r/MPa和摩擦应力τ_f/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ΔS_f/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P_y1/kN以及对应的位移S_y1/mm；

(2)加载端屈服荷载P_y2/kN以及对应的位移S_y2/mm；

(3)残余荷载P_r/kN；

(4)摩擦擦荷载P_f/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A_c/mm²；

(2)钢纤维混凝土弹性模量E_c/MPa；

(3)型钢受力面积A_s/mm²；

(4)型钢弹性模量E_s/MPa；

(5)型钢横截面周长C_a/mm；

(6)黏结长度l_e/mm。

步骤三中，黏结界面发生相对滑移产生的黏结残余应力τ_r和摩擦应力τ_f计算公式为：

其中P取值P_r和P_f，P_r和P_f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P_y1之后(到达屈服荷载P_y1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ΔS_f+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)＝ΔS_f+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P_y1以及对应的位移S_y1；

(2)加载端屈服荷载P_y2以及对应的位移S_y2；

(3)残余荷载P_r；

(4)摩擦擦荷载P_f。

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A_c有：18166.7mm²、30919.1mm²、46850.6mm²；

(2)钢纤维混凝土弹性模量E_c＝32599.84MPa；

(3)取No.10工字钢，型钢受力面积A_s＝1430mm²；

(4)型钢弹性模量E_s＝207400MPa；

(5)型钢横截面周长C_a＝460mm；

(6)黏结长度l_e有：320mm、400mm、600mm、640mm。

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τ_r和摩擦应力τ_f，公式为:

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ΔS_f；

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)＝ΔS_f+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 (1)

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τ_r和摩擦应力τ_f；

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ΔS_f；

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)；步骤一中，所述的相关特征点包括：

(1)自由端屈服荷载P_y1以及对应的位移S_y1；

(2)加载端屈服荷载P_y2以及对应的位移S_y2；

(3)残余荷载P_r；

(4)摩擦荷载P_f；步骤二中，所述的基本参数包括：

(1)钢纤维混凝土受力面积A_c；

(2)钢纤维混凝土弹性模量E_c；

(3)型钢受力面积A_s；

(4)型钢弹性模量E_s；

(5)型钢横截面周长C_a；

(6)黏结长度l_e；步骤三中，所述的黏结残余应力τ_r和摩擦应力τ_f计算公式为：

其中P取值P_r和P_f；步骤四中，所述的优化处理的方法是取自由端屈服荷载P_y1之后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，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：

步骤六中，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ΔS_f+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)＝ΔS_f+Δc(x)-Δs(x)。

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