CN112417548A - 一种圆钢管混凝土柱截面单向压弯极限承载提高方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种圆钢管混凝土柱截面单向压弯极限承载提高方法。所述圆钢管混凝土柱为承受单向压弯荷载的圆钢管混凝土柱；首先处理获得圆钢管混凝土柱的套箍系数；计算圆钢管混凝土柱的截面受压承载力设计值；接着处理获得修正后的混凝土工作承担系数和只有弯矩作用时的截面受弯承载力；最后判断圆钢管混凝土柱的承载稳定性并采取措施提高稳定性。本发明解决了按照现有方法偏保守、未能最大限度利用材料强度的问题，具有更高的准确性，采取措施提高稳定性，极大提高了圆钢管混凝土结构设计的可靠性和安全性。

Description

一种圆钢管混凝土柱截面单向压弯极限承载提高方法

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，具体涉及一种圆钢管混凝土柱截面单向压弯极限承载提高方法。

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、圆钢管混凝土柱等，如图1所示。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。

关于压弯荷载作用下钢管混凝土柱的单向压弯极限承载力计算，目前已有三本方法作出了相关规定，分别是《圆钢管混凝土结构技术规程》(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很多局限性和不足。例如CECS159:2004只适用于截面高宽比不大于2的圆钢管混凝土柱，GB50936-2014计算的轴压承载力随着套箍系数的增大而下降，这意味着含钢率增大到一定程度不仅对提高柱子轴压强度没有帮助，反而会产生不利影响。

发明内容

为了克服现有方法的不足，提高钢管混凝土柱的可靠性和安全性，本发明提供一种圆钢管混凝土柱截面单向压弯极限承载提高方法，解决了现有技术中钢管混凝土柱稳定性判断和处理偏于保守、导致结构安全富余度较高的问题，该方法吻合数值分析结果，准确度好，适用范围广泛。

本发明采用的技术方案是：

所述圆钢管混凝土柱为承受单向压弯荷载的钢管混凝土柱，单向压弯为沿垂直于钢管混凝土柱轴向的轴弯曲；

1)首先采用以下公式获得圆钢管混凝土柱的套箍系数Φ：

式中：Φ——圆钢管混凝土柱的套箍系数；

f_y——圆钢管混凝土柱所用钢材的屈服强度；

f_ck——圆钢管混凝土柱所用混凝土轴心抗压强度标准值；

A_s——圆钢管混凝土柱中圆钢管的截面面积；

A_c——圆钢管混凝土柱中混凝土柱的截面面积；

2)采用以下公式计算圆钢管混凝土柱的截面受压承载力设计值P_p：

P_P＝β_szA_sf_y+β_czA_cf_ck

式中：β_cz——圆钢管混凝土柱所用混凝土轴心抗压强度标准值的修正系数；

β_sz——圆钢管混凝土柱所用钢材屈服强度的修正系数；

P_p——圆钢管混凝土柱的全截面屈服轴力；

3)接着采用以下公式处理获得修正后的混凝土工作承担系数α′_ck和只有弯矩作用时的截面受弯承载力M_px0：

式中：α′_ck——修正后的混凝土工作承担系数；

α——截面受压屈服区圆弧段所对应的圆心角的一半；

r_c——圆钢管混凝土柱中圆钢管的内半径；

r_s——圆钢管混凝土柱中圆钢管的中面半径；

t——圆钢管混凝土柱中圆钢管的柱壁厚度；

M_px0——只有弯矩作用时的截面受弯承载力；

4)最后根据圆钢管混凝土柱的截面受压承载力设计值P_p、修正后的混凝土工作承担系数α′_ck和只有弯矩作用时的截面受弯承载力M_px0按照下式判断圆钢管混凝土柱的承载稳定性并采取措施提高稳定性：

式中：P——圆钢管混凝土柱截面所受的轴压力；

3)若满足2)中的公式条件，则圆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，则圆钢管混凝土柱在弯曲平面内的承载不稳定；若不稳定，则增加圆钢管混凝土柱的截面尺寸，可增加径向直径，增加圆钢管混凝土柱的壁厚，即圆钢管壁厚。

所述的圆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——圆钢管混凝土柱的截面钢管面积和混凝土面积；

f、f_c——圆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——圆钢管混凝土柱的截面钢管面积和混凝土面积；

f、f_c——圆钢管混凝土柱所用的钢材、混凝土的抗压强度设计值。

所述的圆钢管混凝土柱是由圆钢管内部浇筑混凝土而成。

本发明的有益效果体现在：

1、本发明解决了按照现有方法偏保守，未能最大限度利用材料强度的问题，具有一定的经济效益。

2、本发明提出的稳定性判断相比现有技术具有更高的准确性，并根据稳定性判断结果采取措施提高稳定性，结果随着套箍系数的变化规律符合自然科学依据，明显优于GB50936-2014现有方法，极大提高了圆钢管混凝土结构设计的可靠性和安全性。

本发明可广泛应用于竖向构件全部或部分采用圆钢管混凝土柱的各类建筑。

附图说明

图1为本发明适用的圆钢管混凝土柱截面示意图，图中1为圆管、2为混凝土。

图2为新方法与GB50936-2014的轴力-弯矩曲线对比图。

图3为新方法与GB50936-2014的承载力提高系数随套箍系数的曲线对比图。

图4为两种方法得到的圆钢管混凝土柱的M_px0随套箍系数的变化曲线图。

图5为两种方法对应的计算值与试验值的分布散点图。

表1为圆钢管单向压弯作用下使用两种方法的承载力计算值与试验值的对比。

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，圆钢管混凝土柱是由圆钢管1和圆钢管1内部浇筑的内部浇筑混凝土2而成，首先根据钢管混凝土柱的几何参数和材料参数，选定的圆钢管的内半径为150mm,柱壁厚度为8mm，混凝土为C40，钢材为Q355，计算圆钢管混凝土柱的套箍系数Φ为1.410：

式中：Φ——钢管混凝土柱的套箍系数；

f_y——钢材的屈服强度；

f_ck——混凝土轴心抗压强度标准值；

A_s——钢管的截面面积；

A_c——混凝土柱的截面面积；

2、然后采用以下公式计算截面受压承载力设计值P_p：

P_P＝β_szA_sf_y+β_czA_cf_ck (4)

式中：β_cz——混凝土轴心抗压强度的修正系数；

β_sz——钢材屈服强度的修正系数；

P_p——全截面屈服轴力；

计算得到β_cz为1.759，β_sz为0.838，P_p为5569.233KN。

3、接着采用以下公式计算修正后的混凝土工作承担系数α′_ck和只有弯矩作用时净截面的受弯承载力设计值M_px0：

式中：α′_ck——修正后的混凝土工作承担系数；

α——钢管受压屈服区的半角；

r_c——圆钢管的内半径；

r_s——圆钢管的中面半径；

t——圆钢管的柱壁厚度；

M_px0——只有弯矩作用时的截面受弯承载力。

计算得到α′_ck为0.473，α为1.214，M_px0为324.941KN·m。

4、最后将上述参数代入下式得到最终的相关公式：

式中：P——轴压设计值；

为验证安全性与正确性，选取两个算例进行分析，如图2和图3所示，图上同时给出了数值分析得到的构件单向压弯承载力相关曲线(N-M曲线)和承载力提高系数随着套箍系数的变化曲线。通过曲线之间的对比可知，现有方法偏于保守，按照现有方法并不能很好地利用材料的强度。

本实施例的结果如图2和图3所示，图2是两种方法下的圆钢管混凝土柱截面单向压弯的轴力-弯矩曲线对比，其表明本发明新方法相比GB50936-2014现有方法有着更大的安全范围，这增大了选择空间，更有利于更大限度地发挥材料的强度特性。

图3是两种方法下的圆钢管混凝土柱的轴压强度提高系数随套箍系数的变化曲线，曲线对比表明，随着套箍系数增大，GB50936-2014对应的轴压强度提高系数η1出现下降，这意味着在含钢率增大到一定程度不仅对提高柱子轴压强度没有帮助，反而产生不利影响。在对钢管壁板宽厚比进行控制的情况下，这一现象明显有违常理。而本发明新方法对应的轴压强度提高系数η2一致保持在1.2左右，考虑了套箍效应，符合实际。η1为按照GB50936-2014计算的轴压强度承载力与不考虑套箍效应时的轴压强度承载力的比值，η2为按照本发明新方法计算的轴压强度承载力与不考虑套箍效应时的轴压强度承载力的比值。

图4是两种方法得到的圆钢管混凝土柱的M_px0与套箍系数的变化曲线，结果显示在套箍系数低于0.8左右时，按照GB50936-2014对应的计算M_px0值大于新方法的计算值，而在套箍系数高于0.8时，按照GB50936-2014对应的计算值要低于本发明新方法的计算值。

表1

表1用试验值作为对比来具体理解两种方法的区别，结果显示GB50936-2014的弯矩承载力相比于试验值过于保守，其比值的平均值仅为0.627，而本发明新方法的计算平均值为0.969，图5直观显示了比值关系，说明本发明新方法计算结果精准贴近试验值，可大幅提高材料单向压弯承载力的利用率。

由此，本发明方法结果有效。

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)

1.一种圆钢管混凝土柱截面单向压弯极限承载提高方法，其特征在于：

所述圆钢管混凝土柱为承受单向压弯荷载的钢管混凝土柱；

1)首先采用以下公式获得圆钢管混凝土柱的套箍系数Φ：

式中：Φ——圆钢管混凝土柱的套箍系数；

f_y——圆钢管混凝土柱所用钢材的屈服强度；

f_ck——圆钢管混凝土柱所用混凝土轴心抗压强度标准值；

A_s——圆钢管混凝土柱中圆钢管的截面面积；

A_c——圆钢管混凝土柱中混凝土柱的截面面积；

2)采用以下公式计算圆钢管混凝土柱的截面受压承载力设计值P_p：

P_P＝β_szA_sf_y+β_czA_cf_ck

式中：β_cz——圆钢管混凝土柱所用混凝土轴心抗压强度标准值的修正系数；

β_sz——圆钢管混凝土柱所用钢材屈服强度的修正系数；

P_p——圆钢管混凝土柱的全截面屈服轴力；

3)接着采用以下公式处理获得修正后的混凝土工作承担系数α′_ck和只有弯矩作用时的截面受弯承载力M_px0：

式中：α′_ck——修正后的混凝土工作承担系数；

α——截面受压屈服区圆弧段所对应的圆心角的一半；

r_c——圆钢管混凝土柱中圆钢管的内半径；

r_s——圆钢管混凝土柱中圆钢管的中面半径；

t——圆钢管混凝土柱中圆钢管的柱壁厚度；

M_px0——只有弯矩作用时的截面受弯承载力；

4)最后根据圆钢管混凝土柱的截面受压承载力设计值P_p、修正后的混凝土工作承担系数α′_ck和只有弯矩作用时的截面受弯承载力M_px0按照下式判断圆钢管混凝土柱的承载稳定性并采取措施提高稳定性：

式中：P——圆钢管混凝土柱截面所受的轴压力；

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

2.根据权利要求1所述的一种圆钢管混凝土柱截面单向压弯极限承载提高方法，其特征在于：

所述的圆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——圆钢管混凝土柱的截面钢管面积和混凝土面积；

f、f_c——圆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所述的一种圆钢管混凝土柱截面单向压弯极限承载提高方法，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——圆钢管混凝土柱的截面钢管面积和混凝土面积；

f、f_c——圆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所述的一种圆钢管混凝土柱截面单向压弯极限承载提高方法，其特征在于：所述的圆钢管混凝土柱是由圆钢管内部浇筑混凝土而成。

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