CN112214822A - 一种宽钢管混凝土柱单向压弯稳定极限承载提高方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽钢管混凝土柱单向压弯稳定极限承载提高方法。所述宽钢管混凝土柱为承受单向压弯荷载的宽钢管混凝土柱；首先计算宽钢管混凝土柱的单向压弯截面特征修正指数，弯曲轴分为强轴和弱轴；然后将宽钢管混凝土柱的轴心压力设计值和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，根据比较结果结合弯曲轴按照以下方式判断宽钢管混凝土柱在所在平面内的承载稳定性并采取措施提高稳定性。本发明解决了宽钢管混凝土柱的平面内稳定承载提高问题，具有更高的精度，并采取措施提高稳定性，极大提高了宽钢管混凝土结构设计的可靠性和安全性。

Description

一种宽钢管混凝土柱单向压弯稳定极限承载提高方法

技术领域

本发明属于结构设计技术领域的一种建工结构稳定提高方法，具体涉及一种宽钢管混凝土柱单向压弯稳定极限承载提高方法。

背景技术

宽钢管混凝土柱通过在空钢管中填充混凝土而形成。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抗变形能力；钢管内部的混凝土又可以有效地防止钢管发生局部屈曲，因此宽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。

关于压弯荷载作用下宽钢管混凝土柱的平面内稳定承载力计算，目前已有两本方法作出了相关规定，分别是《宽钢管混凝土结构技术规程》(CECS159:2004)和《钢管混凝土结构技术方法》(GB50936-2014)，但现有的计算方法存在很多局限性和不足，例如CECS159:2004规定宜使用截面高宽比不大于2的宽钢管混凝土柱。但是，随着住宅钢结构的发展，为了避免室内凸梁凸柱的出现，柱截面高宽比有增大的趋势，工程中采用的矩形截面高宽比一般都在2以上，最大达到3.5左右，截面参数已超过方法适用范围。

发明内容

为了克服现有方法的不足，提高宽钢管混凝土柱的可靠性和安全性，本发明提供一种宽钢管混凝土柱单向压弯稳定极限承载提高方法，解决了现有技术中稳定承载提高不准确、导致结构在某些情况下会偏于不安全的技术问题。

本发明采用的技术方案是：

所述宽钢管混凝土柱为承受单向压弯荷载的宽钢管混凝土柱，单向压弯为沿宽钢管混凝土柱的横截面长边或者横截面短边弯曲；

1)首先采用以下公式计算宽钢管混凝土柱在不同弯曲轴下的单向压弯截面特征修正指数：

式中：a_x、a_y——宽钢管混凝土柱分别在强轴、弱轴的截面特征修正指数；

α_ck——混凝土工作承担系数；

h——宽钢管柱的横截面长边尺寸；

b——宽钢管柱的横截面短边尺寸；

3)然后将宽钢管混凝土柱的轴心压力设计值P和全截面受压承载力P_P之间的比值与混凝土工作承担系数α_ck进行比较，根据比较结果结合弯曲轴按照以下方式判断宽钢管混凝土柱在单向压弯时的承载稳定性并采取措施提高稳定性：

a.当强轴受弯时，强轴x平行宽钢管混凝土柱横截面的短边，宽钢管混凝土柱的横截面长边所在柱面承受单向压弯荷载，采用以下公式：

当

时，按照下式判断：

当

时，按照下式判断：

b.当弱轴受弯时，弱轴y平行宽钢管混凝土柱横截面的长边，宽钢管混凝土柱的横截面短边所在柱面承受单向压弯荷载，采用以下公式：

当

时，按照下式判断：

当

时，按照下式判断：

式中：P——宽钢管混凝土柱的轴心压力设计值；

P_P——宽钢管混凝土柱全截面受压承载力；

——分别为宽钢管混凝土柱绕强轴、弱轴的轴心受压构件稳定系数；

P_Ex、P_Ey——分别为宽钢管混凝土柱绕强轴、弱轴的欧拉临界荷载；

β_mx、β_my——分别为宽钢管混凝土柱绕强轴、弱轴的等效弯矩系数；

M_x1、M_y1——分别为宽钢管混凝土柱绕强轴、弱轴的端弯矩设计值；

Π_x、Π_y——分别为与宽钢管混凝土柱绕强轴、弱轴受压稳定有关的系数；

λ_x、λ_y——分别为宽钢管混凝土柱绕强轴、弱轴的构件正则化长细比；

M_Px0、M_Py0——分别为宽钢管混凝土柱绕强轴、弱轴的截面塑性弯矩；

X_x、X_y——分别为宽钢管混凝土柱绕强轴、弱轴的受压稳定影响系数；

3)若满足2)中的公式条件，则宽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，则宽钢管混凝土柱在弯曲平面内的承载不稳定；若不稳定，则增加宽钢管混凝土柱的截面尺寸，可增加横截面长边或者短边或者两者共同，增加宽钢管混凝土柱的壁厚，即宽钢管壁厚。

上述公式引入a_x、a_y指数能准确估计入截面高宽比增大时对承载力的影响。

所述的宽钢管混凝土柱的全截面受压承载力P_P采用以下公式处理获得：

P_P＝fA_s+f_cA_c

其中，A_s、A_c——宽钢管混凝土柱的截面钢管面积和混凝土面积；

f、f_c——宽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α_ck采用以下公式处理获得：

其中，A_s、A_c——宽钢管混凝土柱的截面钢管面积和混凝土面积；

f、f_c——宽钢管混凝土柱所用的钢材、混凝土的抗压强度设计值。

所述的宽钢管混凝土柱是由宽钢管内部浇筑混凝土而成。

所述的宽钢管混凝土柱的横截面长边与短边比值在2.0～3.5之间。

本发明的有益效果体现在：

1、本发明解决了宽钢管混凝土柱的平面内稳定承载判断问题。

2、本发明提出的稳定性判断相比现有技术具有更高的精度，并根据稳定性判断结果采取措施提高稳定性，极大提高了宽钢管混凝土结构的可靠性和安全性。

本发明可广泛应用于竖向构件全部或部分采用宽钢管混凝土柱的各类建筑。

附图说明

图1为本发明适用的宽钢管混凝土柱结构示意图，1为宽钢管，2为内部浇筑混凝土。

图2为强轴受弯时，CECS159:2004方法曲线与本发明给出的公式曲线的对比图。

图3为弱轴受弯时，CECS159:2004方法曲线与本发明给出的公式曲线的对比图。

表1为弱轴受弯条件下，稳定承载力的试验值、CECS159:2004方法计算值和本发明给出的公式计算值对比图。

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，宽钢管混凝土柱是由宽钢管1和宽钢管1内部浇筑的内部浇筑混凝土2而成。首先根据宽钢管混凝土柱的几何参数、材料参数和弯矩轴的方向，计算P_P、P_Ex或P_Ey、α_ck，具体公式如下：

P_P＝fA_s+f_cA_c

式中：I_sx、I_sy——宽钢管分别绕截面两个弯曲轴的惯性矩；

I_cx、I_cy——宽钢管内填混凝土分别绕截面两个弯曲轴的惯性矩；

H——宽钢管混凝土柱的高度；

A_s、A_c——宽钢管混凝土柱的截面钢管面积和混凝土面积；

f、f_c——宽钢管混凝土柱所用的钢材、混凝土的抗压强度设计值；

E_s、E_c——宽钢管混凝土柱所用的钢材、混凝土的弹性模量；

α_ck——混凝土工作承担系数。

2、然后，如图1，根据以下公式计算宽钢管混凝土柱受弯方向的截面塑性弯矩：

式中，M_Px0、M_Py0——分别为柱子绕强轴、弱轴的截面塑性弯矩；

b、h——宽钢管混凝土柱中宽钢管的宽度和高度；

t_f、t_w——宽钢管的翼缘厚度和腹板厚度；

β_ckx——与宽钢管的宽度和腹板厚度之比有关的系数；

β_cky——与宽钢管的高度和翼缘厚度之比有关的系数；

3、根据宽钢管混凝土柱的弯曲方向，计算宽钢管混凝土柱绕强轴、弱轴的等效弯矩系数β_mx、β_my以及宽钢管混凝土柱绕强轴、弱轴的构件正则化长细比λ_x、λ_y，随后按照下列公式计算

对于强轴，

对于弱轴，

4、根据宽钢管柱弯曲方向和

所处范围，将以上计算的各项参数代入下式来处理并判断宽钢管混凝土柱的平面内承载稳定性：

a.弯曲轴平行于钢管柱短边时，即强轴受弯时，采用以下公式：

b.弯矩轴平行于钢管柱长边时，即弱轴受弯时，采用以下公式：

本实施例的判断结果为，若上式左边计算结果小于等于1，表示宽钢管混凝土柱单向压弯承载稳定；若上式左边计算结果大于1，表示宽钢管混凝土柱单向压弯承载不稳定。

为验证本发明和现有方法对截面高宽比大于2的宽钢管混凝土柱(如图1所示)单向压弯稳定承载力的适用性，选取一个算例进行分析。

选定宽钢管柱的截面尺寸为400mm×160mm，柱壁厚度为12mm，柱高3000mm，钢材为Q355，混凝土为C40。如图2和图3所示，图上同时给出了按本发明提出公式计算的宽钢管混凝土柱平面内稳定承载力相关曲线(以圆点实线表示)和CECS:159方法公式曲线(以方块点实线表示)。由图2、3可知，当弯曲轴平行于宽钢管短边方向时，两条曲线趋于一致；当弯矩轴平行于宽钢管长边方向时，现有方法公式曲线在本发明公式曲线的外侧。

如图2和图3所示，图上同时给出了由CECS159:2004公式与本发明提出的公式绘制的构件单向压弯稳定承载力相关曲线(N-M曲线)。通过曲线之间的对比可知，现有方法在弱轴受弯情况下偏于不安全。因此按照现有方法并不能涵盖所有的参数范围，在某些情况下结构安全性得不到保证。

表1

结合表1数据可以得到，按照现有方法计算柱截面高宽比大于2的宽钢管柱单向压弯稳定时，在某些情况下结构安全性得不到保证；当根据本发明公式判定宽钢管混凝土柱单向压弯承载稳定时，不会出现不安全的情况。

因此采用本发明公式对宽钢管混凝土柱平面内稳定承载力进行判断，并采取措施提高稳定承载力，结构可靠度得到了有效提升，最大程度的保证了结构安全性，避免了现有方法的局限。

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 (5)

1.一种宽钢管混凝土柱单向压弯稳定极限承载提高方法，其特征在于：

所述宽钢管混凝土柱为承受单向压弯荷载的宽钢管混凝土柱；

1)首先采用以下公式计算宽钢管混凝土柱在不同弯曲轴下的单向压弯截面特征修正指数：

式中：a_x、a_y——宽钢管混凝土柱分别在强轴、弱轴的截面特征修正指数；

α_ck——混凝土工作承担系数；

h——宽钢管柱的横截面长边尺寸；

b——宽钢管柱的横截面短边尺寸；

2)然后将宽钢管混凝土柱的轴心压力设计值P和全截面受压承载力P_P之间的比值与混凝土工作承担系数α_ck进行比较，根据比较结果结合弯曲轴按照以下方式判断宽钢管混凝土柱在单向压弯时的承载稳定性并采取措施提高稳定性：

a.当强轴受弯时，强轴x平行宽钢管混凝土柱横截面的短边，宽钢管混凝土柱的横截面长边所在柱面承受单向压弯荷载，采用以下公式：

当

时，按照下式判断：

当

时，按照下式判断：

b.当弱轴受弯时，弱轴y平行宽钢管混凝土柱横截面的长边，宽钢管混凝土柱的横截面短边所在柱面承受单向压弯荷载，采用以下公式：

当

时，按照下式判断：

当

时，按照下式判断：

式中：P——宽钢管混凝土柱的轴心压力设计值；

P_P——宽钢管混凝土柱全截面受压承载力；

——分别为宽钢管混凝土柱绕强轴、弱轴的轴心受压构件稳定系数；

P_Ex、P_Ey——分别为宽钢管混凝土柱绕强轴、弱轴的欧拉临界荷载；

β_mx、β_my——分别为宽钢管混凝土柱绕强轴、弱轴的等效弯矩系数；

M_x1、M_y1——分别为宽钢管混凝土柱绕强轴、弱轴的端弯矩设计值；

Π_x、Π_y——分别为与宽钢管混凝土柱绕强轴、弱轴受压稳定有关的系数；

λ_x、λ_y——分别为宽钢管混凝土柱绕强轴、弱轴的构件正则化长细比；

M_Px0、M_Py0——分别为宽钢管混凝土柱绕强轴、弱轴的截面塑性弯矩；

X_x、X_y——分别为宽钢管混凝土柱绕强轴、弱轴的受压稳定影响系数；

3)若满足2)中的公式条件，则宽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，则宽钢管混凝土柱在弯曲平面内的承载不稳定，则增加宽钢管混凝土柱的截面尺寸，增加宽钢管混凝土柱的壁厚。

2.根据权利要求1所述的一种宽钢管混凝土柱单向压弯稳定极限承载提高方法，其特征在于：所述的宽钢管混凝土柱的全截面受压承载力P_P采用以下公式处理获得：

P_P＝fA_s+f_cA_c

其中，A_s、A_c——宽钢管混凝土柱的截面钢管面积和混凝土面积；

f、f_c——宽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所述的一种宽钢管混凝土柱单向压弯稳定极限承载提高方法，其特征在于：所述的混凝土工作承担系数α_ck采用以下公式处理获得：

其中，A_s、A_c——宽钢管混凝土柱的截面钢管面积和混凝土面积；

f、f_c——宽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所述的一种宽钢管混凝土柱单向压弯稳定极限承载提高方法，其特征在于：所述的宽钢管混凝土柱是由宽钢管内部浇筑混凝土而成。

5.根据权利要求1所述的一种宽钢管混凝土柱单向压弯稳定极限承载提高方法，其特征在于：所述的宽钢管混凝土柱的横截面长边与短边比值在2.0～3.5之间。

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