CN112632737B - 一种预埋件中性轴确定方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种预埋件中性轴确定方法及装置。预埋件中包括多个锚筋，预埋件中性轴确定方法包括以下步骤：获取预埋件的尺寸数据和荷载，所述预埋件的尺寸数据包括所述预埋件的几何尺寸、所述锚筋的尺寸和所述锚筋的空间位置，所述预埋件的荷载包括所述预埋件的受到的力和弯矩；通过所述尺寸数据和荷载确定所述预埋件的形变协调关系和平衡关系；基于所确定的形变协调关系和平衡关系计算所述预埋件的中性轴。本发明实施例通过根据预埋件的尺寸数据和荷载建立相应的形变协调关系和平衡关系以计算预埋件的中性轴，能够得到相对准确的中性轴的位置。

Description

一种预埋件中性轴确定方法及装置

技术领域

本发明涉及土木工程技术领域，尤其涉及一种预埋件中性轴确定方法及装置。

背景技术

预埋件，或称预制埋件，是预先通过埋藏方式安装在隐蔽工程内的构件，是建筑结构中经常采用的节点形式，是连接钢构件和混凝土的枢纽。预埋件的承载能力直接关系到钢构件内力能否安全可靠的传递给混凝土，因此预埋件的结构承载力对于建筑安全具有重大意义。

预埋件通常以钢板等材料制作，并预先埋置在混凝土中，由于混凝土材料本身的材料属性，例如断裂和破坏机理还不明确，且预埋件的受力机理复杂，通常需要承受复杂的力及力矩，此外，还具有较多的非线性因素，导致对于预埋件在复杂载荷条件下的使用情况分析较为困难。预埋件的中性轴是预埋件的重要力学参数，现有的预埋件中性轴确定方法通常根据经验公式确定预埋件的中性轴，且仅能针对特定结构的标准预埋件，而实际应用过程中，预埋件的结构需要根据实际情况作出调整，所以难以确定预埋件的中性轴。

发明内容

本发明实施例提供一种预埋件中性轴确定方法及装置，以解决难以确定预埋件的中性轴的问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种预埋件中性轴确定方法，所述预埋件中包括多个锚筋，包括以下步骤：

获取预埋件的尺寸数据和荷载，所述预埋件的尺寸数据包括所述预埋件的几何尺寸、所述锚筋的尺寸和所述锚筋的空间位置，所述预埋件的荷载包括所述预埋件的受到的力和弯矩；

通过所述尺寸数据和荷载确定所述预埋件的形变协调关系和平衡关系；

基于所确定的平衡方程计算所述预埋件的中性轴。

可选的，所述基于所确定的平衡方程计算所述预埋件的中性轴，包括：

确定所述预埋件的受压区；

获取所述受压区至少三个角点的应变值；

基于所述至少三个角点的应变值和所述形变协调关系和平衡关系确定所述中性轴的位置。

可选的，所述基于所述至少三个角点的应变值和所述形变协调关系和平衡关系确定所述中性轴的位置，包括：

以所述锚筋混凝土的形心为原点，在所述锚筋混凝土的一个纵向截面内建立直角坐标系；

在所述直角坐标系内建立包括至少两个系数的直线方程，作为所述中性轴的方程；

基于所述至少三个角点的应变值和所述形变协调关系和平衡关系，求解所述至少两个系数，并根据求解获得的至少两个系数的值确定所述中性轴的方程。

可选的，所述预埋件的几何尺寸包括所述预埋件的长度、高度和厚度；及/或

所述锚筋的尺寸包括所述锚筋的横截面积；及/或

所述锚筋的空间位置包括各所述锚筋相对于所述预埋件的形心的位置；及/或

所述预埋件的荷载包括所述预埋件的形心处的力及弯矩。

可选的，所述基于所确定的形变协调关系和平衡关系计算所述预埋件的中性轴之后，还包括：

显示所述预埋件的结构示意图，并在所述预埋件的结构示意图中标注所述预埋件的中性轴。

第二方面，本发明实施例还提供了一种预埋件中性轴确定装置，所述预埋件中包括多个锚筋，包括：

参数获取模块，用于获取预埋件的尺寸数据和荷载，所述预埋件的尺寸数据包括所述预埋件的几何尺寸、所述锚筋的尺寸和所述锚筋的空间位置，所述预埋件的荷载包括所述预埋件的受到的力和弯矩；

平衡方程确定模块，用于通过所述预埋件的尺寸数据和荷载确定每一所述锚筋的平衡方程；

预埋件中性轴确定模块，用于基于所确定的形变协调关系和平衡关系计算所述预埋件的中性轴。

可选的，所述预埋件中性轴确定模块包括：

受压区确定子模块，用于确定所述预埋件的受压区；

应变值确定子模块，用于获取所述受压区至少三个角点的应变值；

预埋件中性轴确定子模块，用于基于所述至少三个角点的应变值和所述形变协调关系和平衡关系确定所述中性轴的位置。

可选的，所述预埋件中性轴确定子模块包括：

坐标系建立单元，用于以所述锚筋混凝土的形心为原点，在所述锚筋混凝土的一个纵向截面内建立直角坐标系；

方程设定单元，用于在所述直角坐标系内建立包括至少两个系数的直线方程，作为所述中性轴的方程；

计算单元，用于基于所述至少三个角点的应变值和所述形变协调关系和平衡关系，求解所述至少两个系数，并根据求解获得的至少两个系数的值确定所述中性轴的方程。

可选的，所述预埋件的几何尺寸包括所述预埋件的长度、高度和厚度；及/或

所述锚筋的尺寸包括所述锚筋的横截面积；及/或

所述锚筋的空间位置包括各所述锚筋相对于所述预埋件的形心的位置；及/或

所述预埋件的荷载包括所述预埋件的形心处的力及弯矩。

可选的，还包括：

显示模块，用于显示所述预埋件的结构示意图，并在所述预埋件的结构示意图中标注所述预埋件的中性轴。

本发明实施例通过获取预埋件的尺寸数据和荷载，并根据所获取的尺寸数据和荷载确定预埋件的形变协调关系和平衡关系，并根据所确定的形变协调关系和平衡关系计算所述预埋件的中性轴，能够得到相对准确的中性轴的位置。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获取其他的附图。

图1是本发明一实施例中预埋件的结构示意图；

图2是本发明一实施例中预埋件的又一结构示意图；

图3是本发明一实施例中预埋件中性轴确定方法的流程图；

图4是本发明一实施例中预埋件中性轴的示意图；

图5是本发明一实施例中预埋件中性轴确定装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获取的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种预埋件中性轴确定方法。

本实施例的预埋件中性轴确定方法可以应用于已有预埋件的测试和分析，即分析已经制作完成的预埋件是否满足使用需求，也可以应用于预埋件的规划和设计中，即通过仿真模拟，从而设计出符合使用需求的预埋件。

如图1和图2所示，预埋件中包括多个锚筋，在一个具体实施方式中，具体为包括20个锚筋，变化为1#至20#。

如图3所示，该预埋件中性轴确定方法包括以下步骤：

步骤301：获取预埋件的尺寸数据和荷载。

本实施例中，预埋件的尺寸数据包括预埋件的几何尺寸、锚筋的尺寸和锚筋的空间位置，预埋件的荷载包括所述预埋件的受到的力和弯矩。

应当理解的是，由于预埋件本身的复杂性，所以其计算方法通用性较差，例如，对于圆形预埋件和矩形预埋件来说，现有的经验公式只适用满足一定条件的标准预埋件，例如，对于矩形预埋件来说，需要满足一定的锚筋排列条件，例如，对于矩形预埋件来说，需要满足一定的锚筋排列条件，如果锚筋排列方式不同的话，现有的经验公式也是不通用的。所以实际实施时，需要根据应用情况确定预埋件的形状，并进一步确定相应的尺寸。

本实施例中以矩形预埋件为例说明。所需测量的预埋件的几何尺寸包括所述预埋件的长度、高度和厚度。

实施时，可以根据实际的使用情况，例如预埋件的实际应用场景、与该预埋件连接的连接件的外部轮廓尺寸等确定预埋件的尺寸。例如，如果预埋件为圆形，则所需确定的尺寸为预埋件的直径。

锚筋的尺寸主要包括锚筋的横截面积，一般来说，可以认为锚筋的截面为圆形，本实施例中以锚筋的直径为32毫米为例说明。

如图1和图2所示，锚筋的空间位置为各锚筋相对于预埋件的形心的位置，对于矩形预埋件来说，其形心为其几何中心，或者说是两条对角线的交点。锚筋的空间位置也是根据预埋件的应用场景来确定的，通常是根据基材内各物项的空间布置情况，确定各锚筋的位置。

预埋件的荷载为施加于预埋件上的力和弯矩，具体的，包括等效在所述预埋件的形心处的力及弯矩。应当理解的是，预埋件的受力较为复杂，但是这些荷载可以平移到预埋件的形心处。本实施例中以作用在埋板形心处的荷载有拉力Fx＝3.6x10⁵N，弯矩Mz＝1.0x10⁸N.mm，弯矩My＝2.4x10⁹N.mm为例说明。

步骤302：通过所述混凝土预埋件的性能参数和条件参数确定所述混凝土预埋件的形变协调关系和平衡关系。

在确定了预埋件的性能参数和调节参数之后，进一步确定预埋件的形变协调关系如式(1)。

ε_ij,kl+ε_kl,ij-ε_ik,jl-ε_jl,ik＝0……(1)

其中，

以上式(1)和(2)为预埋件的形变协调关系的张量表示形式，其中，i和j的取值为1、2和3，分别代表第一方向、第二方向和第三方向，例如，当建立在三维直角坐标系中时，第一方向、第二方向和第三方向可以分别对应x方向、y方向和z方向。

进一步的，还需要确定预埋件上每一锚筋的平衡关系，具体的，设想混凝土是由无数层纵向纤维组成的，假定截面应变保持平面且不考虑混凝土的抗拉承载力和锚筋的抗压承载力。将截面离散为若干单轴受力的纤维，截面变形后仍为平面，纤维的非线性行为完全由每个纤维所代表材料的单轴本构关系确定。

M_x＝∑F_iy_i+E_b(αM_x+βI_xy+γI_x)……(4)

M_y＝ΣF_ix_i+E_b(αM_y+βI_y+γI_xy)……(5)

其中，A＝∫∫dxdy；M_x＝∫∫ydxdy；M_y＝∫∫xdxdy；I_x＝∫∫y²dxdy；I_y＝∫∫x²dxdy；I_xy＝∫∫xydxdy。

上述公式(3)至(5)中，N为过预埋板形心的拉(或压)力，E_a为锚筋弹性模量，α、β、γ为常量，A为锚筋混凝土横截面面积，E_b为混凝土弹性模量，M_x为过预埋板形心且绕水平形心轴的弯矩，M_y为过预埋板形心且绕竖向形心轴的弯矩，I_x为对截面x轴的惯性矩，I_y为截面对y轴的惯性矩，I_xy为截面对x、y轴的惯性矩。

在确定了预埋件及其包括的锚筋的尺寸及材质等参数后，也就确定了材料的本构关系，确定了锚筋的尺寸和空间位置等参数后，实际上也就确定了其截面的几何和及力学特性，因此，可以基于这些数据建立其平衡方程。

步骤303：基于所确定的形变协调关系和平衡关系计算所述预埋件的中性轴。

在建立形变协调关系和平衡关系时，可以先设定一条轴线并假定为该预埋件的中性轴，然后将该假定的中性轴带入形变协调方程，并验证是否满足上述形变协调关系和平衡关系，如果满足，则说明该假定的中性轴为理论上的中性轴的位置，如果不满足，则说明假定存在错误，需要做出适当的调整。

一般来说，该假定的中性轴在初始状态下是不满足形变协调方程的，实施时，需要通过多次迭代计算，从而找到满足平衡方程的轴线，该轴线即为预埋件的中性轴。

在一个可选的具体实施方式中，该步骤303具体包括：

确定所述预埋件的受压区；

获取所述受压区至少三个角点的应变值；

基于所述至少三个角点的应变值和所述形变协调关系和平衡关系确定所述中性轴的位置。

对于混凝土来说，设想其是由无数层纵向纤维组成的，假定横截面保持平面，则纵向纤维从缩短到伸长是逐渐连续变化的，其中必定有一个既不缩短也不伸长的中性层。中性层是锚筋混凝土上受拉区与受压区的分界面，该中性层与横截面的交线称为中性轴，变形时横截面是绕中性轴旋转的。

中性轴是预埋件受拉区和受压区的分界线，混凝土受拉性能很差，在预埋件设计的计算过程中，一般不考虑混凝土的抗拉强度，只考虑受拉侧锚筋的抗拉强度；而混凝土的受压性能很好，出于保守考虑，一般不考虑受压区锚筋的抗压强度，仅由混凝土承压。也就是说，预埋件主要通过位于其受拉区的锚筋承受拉力，通过其位于受压区的混凝土承受压力。因此，中性轴决定着受拉锚筋的数量及其拉力值，以及混凝土受压区域及其应力分布。

实施时，至少三个角点的应变值和所述形变协调关系和平衡关系确定所述中性轴的位置。本实施例中以选用了四个角点，且其应变分别为-0.000330214、-0.00041、0.001511、和0.001431为例说明，其中这四个角点依次分别为预埋件的左下角点、右下角点、中性轴与横截面左边缘的交点、中性轴与横截面右边缘的交点。

进一步的，在一个具体实施方式中，该步骤具体包括：

以所述锚筋混凝土的形心为原点，在所述锚筋混凝土的一个纵向截面内建立直角坐标系；

在所述直角坐标系内建立包括至少两个系数的直线方程，作为所述中性轴的方程；

基于所述至少三个角点的应变值和所述形变协调关系和平衡关系，求解所述至少两个系数，并根据求解获得的至少两个系数的值确定所述中性轴的方程。

如图4所示，首先以形心为原点O，建立平面直角坐标系XOY，然后建立中性轴的方程：

ax+by＝1……(6)

通过式(6)进一步结合上述式(1)、式(2)以及由式(3)至(5)得到的三个角点的应变值，求解未知数a和b，得到的方程即为预埋件中性轴的方程。实施时，分别解得a＝0.00012137，b＝-0.0023895，如图4所示，即得到了该预埋件的中性轴。

本发明实施例通过获取预埋件的尺寸数据和荷载，并根据所获取的尺寸数据和荷载确定预埋件的形变协调关系和平衡关系，并根据所确定的形变协调关系和平衡关系计算所述预埋件的中性轴，能够得到相对准确的中性轴的位置。

可选的，所述基于所确定的形变协调关系和平衡关系计算所述预埋件的中性轴之后，还包括：

显示所述预埋件的结构示意图，并在所述预埋件的结构示意图中标注所述预埋件的中性轴。

在确定了预埋件的中性轴的位置之后，为了更直观的表达中性轴的位置，进一步的显示预埋件的结构示意图，并在结构示意图中标注中性轴，例如可以在显示预埋件的结构示意图中利用不同颜色标注出其中性轴，能够更加直观的展示中性轴的位置，便于施工人员及相关工作人员了解中性轴的位置。

如图5所示，本发明实施例还提供了一种预埋件中性轴确定装置500，所述预埋件中包括多个锚筋，包括：

参数获取模块501，用于获取预埋件的尺寸数据和荷载，所述预埋件的尺寸数据包括所述预埋件的几何尺寸、所述锚筋的尺寸和所述锚筋的空间位置，所述预埋件的荷载包括所述预埋件的受到的力和弯矩；

平衡方程确定模块502，用于通过所述预埋件的尺寸数据和荷载确定每一所述锚筋的平衡方程；

预埋件中性轴确定模块503，用于基于所确定的形变协调关系和平衡关系计算所述预埋件的中性轴。

可选的，所述预埋件中性轴确定模块501包括：

受压区确定子模块，用于确定所述预埋件的受压区；

应变值确定子模块，用于获取所述受压区至少三个角点的应变值；

预埋件中性轴确定子模块，用于基于所述至少三个角点的应变值和所述形变协调关系和平衡关系确定所述中性轴的位置。

可选的，所述预埋件中性轴确定子模块包括：

坐标系建立单元，用于以所述锚筋混凝土的形心为原点，在所述锚筋混凝土的一个纵向截面内建立直角坐标系；

方程设定单元，用于在所述直角坐标系内建立包括至少两个系数的直线方程，作为所述中性轴的方程；

计算单元，用于基于所述至少三个角点的应变值和所述形变协调关系和平衡关系，求解所述至少两个系数，并根据求解获得的至少两个系数的值确定所述中性轴的方程。

可选的，所述预埋件的几何尺寸包括所述预埋件的长度、高度和厚度；及/或

所述锚筋的尺寸包括所述锚筋的横截面积；及/或

所述锚筋的空间位置包括各所述锚筋相对于所述预埋件的形心的位置；及/或

所述预埋件的荷载包括所述预埋件的形心处的力及弯矩。

可选的，还包括：

显示模块，用于显示所述预埋件的结构示意图，并在所述预埋件的结构示意图中标注所述预埋件的中性轴。

本实施例的预埋件中性轴确定装置能够实现上述预埋件中性轴确定方法实施例的各个步骤，并能实现基本相同的技术效果，此处不再赘述。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种预埋件中性轴确定方法，所述预埋件中包括多个锚筋，其特征在于，包括以下步骤：

获取预埋件的尺寸数据和荷载，所述预埋件的尺寸数据包括所述预埋件的几何尺寸、所述锚筋的尺寸和所述锚筋的空间位置，所述预埋件的荷载包括所述预埋件的受到的力和弯矩；

通过所述尺寸数据和荷载确定所述预埋件的形变协调关系和平衡关系；

基于所确定的形变协调关系和平衡关系计算所述预埋件的中性轴；

所述基于所确定的形变协调关系和平衡关系计算所述预埋件的中性轴，包括：

确定所述预埋件的受压区；

获取所述受压区至少三个角点的应变值；

基于所述至少三个角点的应变值和所述形变协调关系和平衡关系确定所述中性轴的位置。

2.如权利要求1所述的预埋件中性轴确定方法，其特征在于，所述基于所述至少三个角点的应变值和所述形变协调关系和平衡关系确定所述中性轴的位置，包括：

以所述锚筋混凝土的形心为原点，在所述锚筋混凝土的一个纵向截面内建立直角坐标系；

在所述直角坐标系内建立包括至少两个系数的直线方程，作为所述中性轴的方程；

基于所述至少三个角点的应变值和所述形变协调关系和平衡关系，求解所述至少两个系数，并根据求解获得的至少两个系数的值确定所述中性轴的方程。

3.如权利要求1至2中任一项所述的预埋件中性轴确定方法，其特征在于，

所述预埋件的几何尺寸包括所述预埋件的长度、高度和厚度；及/或

所述锚筋的尺寸包括所述锚筋的横截面积；及/或

所述锚筋的空间位置包括各所述锚筋相对于所述预埋件的形心的位置；及/或

所述预埋件的荷载包括所述预埋件的形心处的力及弯矩。

4.如权利要求1至2中任一项所述的预埋件中性轴确定方法，其特征在于，所述基于所确定的形变协调关系和平衡关系计算所述预埋件的中性轴之后，还包括：

显示所述预埋件的结构示意图，并在所述预埋件的结构示意图中标注所述预埋件的中性轴。

5.一种预埋件中性轴确定装置，所述预埋件中包括多个锚筋，其特征在于，包括：

参数获取模块，用于获取预埋件的尺寸数据和荷载，所述预埋件的尺寸数据包括所述预埋件的几何尺寸、所述锚筋的尺寸和所述锚筋的空间位置，所述预埋件的荷载包括所述预埋件的受到的力和弯矩；

平衡方程确定模块，用于通过所述尺寸数据和荷载确定所述预埋件的形变协调关系和平衡关系；

预埋件中性轴确定模块，用于基于所确定的平衡方程计算所述预埋件的中性轴；

所述预埋件中性轴确定模块包括：

受压区确定子模块，用于确定所述预埋件的受压区；

应变值确定子模块，用于获取所述受压区至少三个角点的应变值；

预埋件中性轴确定子模块，用于基于所述至少三个角点的应变值和所述平衡方程确定所述中性轴的位置。

6.如权利要求5所述的预埋件中性轴确定装置，其特征在于，所述预埋件中性轴确定子模块包括：

坐标系建立单元，用于以所述锚筋混凝土的形心为原点，在所述锚筋混凝土的一个纵向截面内建立直角坐标系；

方程设定单元，用于在所述直角坐标系内建立包括至少两个系数的直线方程，作为所述中性轴的方程；

计算单元，用于基于所述至少三个角点的应变值和所述平衡方程，求解所述至少两个系数，并根据求解获得的至少两个系数的值确定所述中性轴的方程。

7.如权利要求5至6中任一项所述的预埋件中性轴确定装置，其特征在于，

所述预埋件的几何尺寸包括所述预埋件的长度、高度和厚度；及/或

所述锚筋的尺寸包括所述锚筋的横截面积；及/或

所述锚筋的空间位置包括各所述锚筋相对于所述预埋件的形心的位置；及/或

所述预埋件的荷载包括所述预埋件的形心处的力及弯矩。

8.如权利要求5至6中任一项所述的预埋件中性轴确定装置，其特征在于，还包括：

显示模块，用于显示所述预埋件的结构示意图，并在所述预埋件的结构示意图中标注所述预埋件的中性轴。