CN112182725B - 复合受力状态下的方钢管混凝土截面极限承载判断方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复合受力状态下的方钢管混凝土截面极限承载判断方法。根据方钢管混凝土柱自身属性处理获得方钢管混凝土柱的全截面受压承载力和混凝土工作承担系数；将方钢管混凝土柱的轴心压力设计值全截面受压承载力之间的比值与混凝土工作承担系数进行比较，根据比较结果分段分类按照以下方式判断方钢管混凝土柱截面的承载稳定性并采取措施提高稳定性。本发明全面解决了轴力和弯矩联合作用下方钢管混凝土截面的极限承载判断问题，具有更高的精度，并采取措施提高稳定性，极大提高了方钢管混凝土结构的准确性。
Description
技术领域
本发明属于结构设计技术领域的一种建工结构极限承载判断方法，具体涉及一种轴力和弯矩联合作用下的方钢管混凝土截面极限承载判断方法。
背景技术
钢管混凝土柱通过在空钢管中填充混凝土而形成，按截面形式不同可分为圆钢管混凝土柱，方、矩形、宽钢管混凝土柱等，图1所示为方钢管混凝土柱。在受力过程中，钢管对其内部混凝土的约束作用使混凝土处于三向受压状态，提高了混凝土的抗压强度和变形能力；钢管内部的混凝土又可以有效地防止钢管发生局部屈曲，因此钢管混凝土柱具有优异的力学性能，具体表现为高承载力、高延性的特点。
关于轴力和弯矩联合作用下的方钢管混凝土柱截面极限承载力计算，目前已有三方法作出了相关规定，分别是《方钢管混凝土结构技术方法》(CECS159:2004)，《钢管混凝土结构技术方法》(GB50936-2014)和《组合结构设计方法》JGJ138-2016，但现有的计算方法存在局限性。例如CECS159:2004中的三折线方程，对应混凝土承担系数αck大于0.4的RCFT截面轴压比较小的情况，保守程度较大。现有技术缺少了更加接近真实构件截面极限承载力的处理方法。
发明内容
为了在方钢管混凝土柱中充分利用构件的承载能力，克服现有方法过于保守的不足，本发明提供了一种轴力和弯矩联合作用下的方钢管混凝土柱截面极限承载力判断方法，解决了现有方法中承载能力判断不准确、导致结构处理偏于保守的技术问题，该方法吻合数值分析结果，准确度好，适用范围广泛，在方钢管混凝土柱结构处理中准确判断和提高截面的承载力。
本发明采用的技术方案是：
本发明是在现有方法上，经过与试验值对比，提出了一种在轴力和弯矩联合作用下更适合方钢管混凝土截面的极限承载力计算本发明新方法。
所述方钢管混凝土柱为承受轴力和弯矩联合作用下的方钢管混凝土柱；
1)根据方钢管混凝土柱自身属性处理获得方钢管混凝土柱的全截面受压承载力PP和混凝土工作承担系数αck；
2)将方钢管混凝土柱的轴心压力设计值P和全截面受压承载力PP之间的比值与混凝土工作承担系数αck进行比较，根据比较结果按照以下分段曲线(三曲线拟合)方式判断方钢管混凝土柱截面的承载稳定性并采取措施提高稳定性：
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式中，Mx——截面弯矩设计值；
Mpx0——只有弯矩作用时的截面抗弯承载力；
P——轴心压力设计值；
PP——轴心抗压承载力；
αck——混凝土工作承载系数；
β——修正指数；
3)若满足2)中的公式条件，则方钢管混凝土柱在弯曲平面内的承载稳定，不作调整；
若不满足2)中的公式条件，则方钢管混凝土柱在弯曲平面内的承载不稳定；若不稳定，则增加方钢管混凝土柱的截面尺寸，可增加长边或者短边或者两者共同，增加方钢管混凝土柱的壁厚，即钢管壁厚。
所述的方钢管混凝土柱的全截面受压承载力PP采用以下公式处理获得：
PP＝fAs+fcAc
其中，As、Ac——方钢管混凝土柱的截面钢管面积和混凝土面积；
f、fc——方钢管混凝土柱所用的钢材、混凝土的抗压强度设计值。
所述的混凝土工作承担系数αck采用以下公式处理获得：
其中，As、Ac——方钢管混凝土柱的截面钢管面积和混凝土面积；
f、fc——方钢管混凝土柱所用的钢材、混凝土的抗压强度设计值。
所述的方钢管混凝土柱是由方钢管内部浇筑混凝土而成。
所述的方钢管混凝土柱横截面的长边与短边比值为1。
本发明的有益效果体现在：
1、本发明全面解决了轴力和弯矩联合作用下方钢管混凝土截面的极限承载判断问题。
2、本发明提出的计算判断相比现有方法具有更高的精度，并根据承载判断结果采取措施提高承载，结果与数值结果非常吻合，极大提高了方钢管混凝土结构的准确性。
本发明可广泛应用于竖向构件全部或部分采用方钢管混凝土柱的各类建筑结构。
附图说明
图1为本发明适用的方钢管混凝土柱结构示意图。
图2为方钢管混凝土柱的混凝土工作承载系数αck取0.25时，三曲线拟合公式与CECS159现有方法三折线方程的对比图。
图3为方钢管混凝土柱的混凝土工作承载系数αck取0.4时，三曲线拟合公式与CECS159现有方法三折线方程的对比图。
图4为方钢管混凝土柱的混凝土工作承载系数αck取0.7时，三曲线拟合公式与CECS159现有方法三折线方程的对比图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明实施例及其具体步骤如下：
1、如图1所示，方钢管混凝土柱是由方钢管1和在方钢管1内部浇筑混凝土2组合而成。
以下选取3个实施例，αck分别取0.25、0.4、0.7时进行计算。
①代入CECS159现有方法三折线方程绘制出对应的承载曲线：
其中：
P——轴心压力设计值；
PP——轴心抗压承载力；
αck——混凝土工作承载系数；
Mx——强轴弯矩设计值；
Mpx0——只有弯矩作用时的截面抗弯承载力；
②代入本发明方法绘制出对应的承载曲线为三曲线拟合曲线：
式中：
式中，β——修正指数；
③将本发明三曲线拟合与CECS159现有方法三折线进行对比，分析CECS159现有方法三折线存在的不足和本发明的优势所在。
2、如图2所示，当αck为0.25时，分别运用三曲线拟合公式和CECS159现有方法三折线方程进行计算，绘制承载力P/PP—Mx/MPx0包络曲线。
三曲线拟合曲线与CECS159现有方法三折线相比，范围略有扩大，但尚不明显。说明在αck较小时，采用CECS159现有方法三折线与采用本发明新方法的三曲线拟合公式误差不大。
3、如图3所示，αck为0.4时，分别运用三曲线拟合公式和三折线方程进行计算，绘制承载力P/PP—Mx/MPx0包络曲线。
三曲线拟合曲线与三折线相比，范围扩大开始明显，尤其是在时。说明在αck为0.4开始，采用CECS159现有方法三折线方程判断的方钢管混凝土截面承载力准确性下降明显，偏于保守。
4、如图4所示，当αck为0.7时，分别运用三曲线拟合公式和CECS159现有方法三折线方程进行计算，绘制承载力P/PP—Mx/MPx0包络曲线。
三曲线拟合曲线与CECS159现有方法三折线相比，范围扩大非常显著，尤其是在时。说明在αck较大时，采用CECS159现有方法三折线方程判断的方钢管混凝土截面承载力准确性严重下降，太过于保守。
通过典型算例来验证本发明提出的公式，图上同时给出了CECS159:2004中对应的压弯与拉弯承载力三折线方程和本发明提出的三曲线拟合公式。处理结果与数值结果非常吻合，极大提高了方钢管混凝土结构的准确性，解决了现有方法中承载能力判断不准确、导致结构处理偏于保守的技术问题。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。
Claims (4)
1.一种复合受力状态下的方钢管混凝土柱的混凝土截面极限承载判断方法，其特征在于：
所述方钢管混凝土柱为承受轴力和弯矩联合作用下的方钢管混凝土柱；
1)根据方钢管混凝土柱自身属性处理获得方钢管混凝土柱的全截面受压承载力PP和混凝土工作承载系数αck；
2)将方钢管混凝土柱的轴心压力设计值P和全截面受压承载力PP之间的比值与混凝土工作承载系数αck进行比较，根据比较结果按照以下分段曲线方式判断方钢管混凝土柱截面的承载稳定性并采取措施提高稳定性：
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式中，Mx——截面弯矩设计值；
Mpx0——只有弯矩作用时的截面抗弯承载力；
P——轴心压力设计值；
PP——全截面受压承载力；
αck——混凝土工作承载系数；
β——修正指数；
3)若满足2)中的公式条件，则方钢管混凝土柱在弯曲平面内的承载稳定；
若不满足2)中的公式条件，则方钢管混凝土柱在弯曲平面内的承载不稳定，则增加方钢管混凝土柱的截面尺寸，增加方钢管混凝土柱的壁厚；
所述的方钢管混凝土柱横截面的长边与短边比值为1。
2.根据权利要求1所述的一种复合受力状态下的方钢管混凝土柱的混凝土截面极限承载判断方法，其特征在于：所述的方钢管混凝土柱的全截面受压承载力PP采用以下公式处理获得：
PP＝fAs+fcAc
其中，As、Ac——方钢管混凝土柱的截面钢管面积和混凝土面积；
f、fc——方钢管混凝土柱所用的钢材、混凝土的抗压强度设计值。
3.根据权利要求1所述的一种复合受力状态下的方钢管混凝土柱的混凝土截面极限承载判断方法，其特征在于：所述的混凝土工作承载系数αck采用以下公式处理获得：
其中，As、Ac——方钢管混凝土柱的截面钢管面积和混凝土面积；
f、fc——方钢管混凝土柱所用的钢材、混凝土的抗压强度设计值。
4.根据权利要求1所述的一种复合受力状态下的方钢管混凝土柱的混凝土截面极限承载判断方法，其特征在于：所述的方钢管混凝土柱是由方钢管内部浇筑混凝土而成。
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