CN113673058B - 一种螺栓装配结构节点计算系统及计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于装配式建筑领域，具体涉及一种螺栓装配结构节点计算系统及计算方法，具体包括如下模块，节点力计算模块，用于计算最不利受力工况下的节点拉力Nxi；螺栓抗剪承载力试算模块，预设螺栓个数，计算节点的螺栓抗剪承载力Nv,b；钢板抗拉承载力试算模块，其计算钢板抗拉承载力Np；混凝土抗冲切承载力计算模块，其计算混凝土抗冲切承载力Fl；单节点螺栓个数计算模块，取螺栓抗剪承载力Nv,b、钢板抗拉承载力N以及混凝土抗冲切承载力Fl中的最小值为节点最小承载力Nji，对比Nji与Nxi，判定预设螺栓个数是否合格；单层螺栓个数计算模块，其计算单层螺栓个数；螺栓总数计算模块，其计算螺栓装配结构的螺栓总数。本发明可快捷准确的计算螺栓装配结构所需的螺栓总数。

Description

一种螺栓装配结构节点计算系统及计算方法

技术领域

本发明属于装配式建筑技术领域，具体涉及一种螺栓装配结构节点计算系统及计算方法。

背景技术

装配式建筑具有设计标准化、生产工厂化、施工装配化、装修一体化、管理信息化等特征，是建造方式的重大变革。根据国务院印发的《关于大力发展装配式建筑的指导意见》要求，从2016年开始，未来十年，我国将以京津冀、长三角、珠三角三大城市群为重点推进地区，使装配式建筑占新建建筑面积的比例达到30％。但是装配式建筑节点受力复杂，地震下容易形成薄弱环节。全螺栓干法连接节点，采用手动计算方法计算所需的螺栓个数和钢板型号，计算过程繁琐、数据量庞大且容易出错。公开号为“CN201510978137.9”的专利公开一种螺栓强度的分析方法，但没有公开装配式建筑所需螺栓个数的计算方法，因此，需提供一种能快速、精确的计算装配式建筑所需螺栓个数的计算系统及计算方法。

发明内容

本发明解决螺栓装配结构所需螺栓个数的难以计算的技术问题，一方面提供一种螺栓装配结构节点计算系统，另一方面还提供一种螺栓装配结构节点计算方法。

一方面，本发明提供的一种螺栓装配结构节点计算系统，它具体包括

节点力计算模块，用于计算最不利受力工况下的节点拉力Nxi；

螺栓抗剪承载力试算模块，预设螺栓个数，计算节点的螺栓抗剪承载力Nv,b；

钢板抗拉承载力试算模块，其计算钢板抗拉承载力Np；

混凝土抗冲切承载力计算模块，其计算混凝土抗冲切承载力Fl；

单节点螺栓个数计算模块，取螺栓抗剪承载力Nv,b、钢板抗拉承载力Np以及混凝土抗冲切承载力Fl中的最小值为节点最小承载力Nji，对比Nji与Nxi，判定预设螺栓个数是否合格；

单层螺栓个数计算模块，其计算单层螺栓个数；

螺栓总数计算模块，其计算螺栓装配结构的螺栓总数。

进一步的，通过有限元分析计算得出节点的最大弯矩M和最大轴力N，判定此时为最不利受力工况。

进一步的，螺栓抗剪承载力Nv,b根据输入的单节点螺栓个数、螺栓受剪面个数、螺栓抗剪强度设计值和螺栓直径计算；钢板抗拉承载力Np根据输入的钢板个数、钢板截面面积、钢板抗拉强度计算；混凝土抗冲切承载力Fl根据输入混凝土、钢筋相关系数和尺寸信息计算。

进一步的，所述单节点螺栓个数计算模块中，当预设螺栓个数为n时Nji>Nxi，且预设螺栓个数为n-1时Nji《Nxi，则判定预设螺栓个数合格；所述单层螺栓个数根据对应层各轴线上的墙板数计算。此系统计算出的螺栓个数合理，节点的最小承载力可满足最大节点拉力，同时，可避免使用过多的螺栓造成浪费的现象。

另一方面，本发明提供一种螺栓装配结构节点计算方法，它具体包括如下步骤：

S1：计算节点拉力Nxi和混凝土受压区高度x；

S2：输入单个节点螺栓个数，试算节点最小承载力Nji；

S3：对比Nji与Nxi，

若输入螺栓个数n时Nji>Nxi，且输入螺栓个数为n-1时Nji≤Nxi，则合格，

若否，执行步骤S2，直至合格；

S4：计算各层螺栓个数；

S5：计算螺栓总数。

进一步的，步骤S1计算节点拉力Nx和混凝土受压区高度x，具体包括，

通过有限元结构计算软件计算最不利受力工况下的节点的拉力Nxi，

根据轴力平衡，得出节点弯矩平衡公式：

N＝α₁f_cb_wx-(N_x1+N_x2)

式中：

N-墙板竖向荷载和墙板自重之和；

f_c-混凝土轴心抗压强度设计值；

b_w-矩形截面墙板的厚度；

x-等效矩形应力图形的混凝土受压区高度；

N_x1，N_x2-节点1和节点2的拉力；

α1-混凝土强度等级相关的系数，当混凝土强度等级不超过C50时，α1取值1.0；当混凝土强度等级为C80时，α1取值为0.94，其间按线性内插法确定；

根据弯矩平衡，得出节点弯矩平衡公式：

M-节点弯矩设计值；

l₁-节点1到混凝土受压边缘的距离；

l₂-节点2到混凝土受压边缘的距离；

h-墙体的宽度。

进一步的，所述步骤S2计算节点承载力设计值；具体包括

计算螺栓抗剪承载力Nv,b、钢板抗拉承载力Np、混凝土抗冲切承载力Fl；

节点最小承载力Nji为螺栓抗剪承载力Nv,b、钢板抗拉承载力Np、混凝土抗冲切承载力Fl中的最小值。

进一步的，螺栓抗剪承载力Nv,b计算公式如下

N_v,b-螺栓抗剪承载力；

n_b-节点中螺栓个数；

n_v-螺栓受剪面个数；

-螺栓抗剪强度设计值；

钢板抗拉承载力Np计算公式如下

N_p≤n_pf_pA_p

N_p-钢板抗拉承载力；

n_p-节点中手拉钢板个数；

f_p-节点中钢板抗拉强度设计值；

A_p-钢板截面面积；

混凝土抗冲切承载力Fl计算公式如下

Fl≤0.5f_tηu_mh₀+0.8f_yvA_svu+f_yA_s

Fl-混凝土抗冲切承载力；

f_t-混凝土轴心抗拉强度设计值；

η-集中反力作用面积形状的影响系数；

u_m-计算截面的周长，取距离局部荷载或集中反力作用面积周边h₀/2处板垂直界面的最不利周长；

h₀-截面的有效高度，取两个方向配筋的截面有效高度平均值；

f_yv-箍筋的抗拉强度设计值；

A_svu、A_s与呈45°冲切破坏锥体斜截面相交和穿过冲切体顶面的全部箍筋、竖向钢筋截面面积；

f_y-钢筋的抗拉强度设计值。

进一步的，步骤S4计算各层螺栓个数，根据各个轴线上墙板的个数计算每层楼需要的螺栓个数。

有益效果：本发明所提供的计算方法通过预设螺栓个数试算螺栓抗剪承载力Nv,b，试算钢板抗拉承载力Np、混凝土抗冲切承载力Fl，进而确认节点承载力Nji，通过比较节点承载力Nji与节点拉力Nxi确认合理的单节点螺栓个数，再计算单层螺栓个数、螺栓总数，从而可快捷准确的计算螺栓装配结构所需的螺栓总数，提高计算效率，提高螺栓装配结构的安全性。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明作出进一步详细说明。

图1为本发明优选实施例一的示意图。

图2为本本发明优选实施例二计算流程图。

图3为优选实施例二中螺栓装配结构节点受力示意图。

图4为优选实施例三中节点拉力计算界面示意图。

图5为优选实施例三中螺栓抗剪承载力计算界面示意图。

图6为优选实施例三中钢板抗拉强度计算界面示意图。

图7为优选实施例三中混凝土抗冲切计算界面示意图。

图8为优选实施例三中第一层螺栓个数计算界面示意图。

图9为优选实施例三中第二层螺栓个数计算界面示意图。

图10为优选实施例三中第三层螺栓个数及螺栓总数计算界面示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例一

本实施例提供一种螺栓装配结构节点计算系统，本实施例中具体计算螺栓装配结构所需的螺栓总数。

具体来说，参照图1所示，螺栓装配结构节点计算系统包括

节点力计算模块，通过自动读取有限元分析计算得出节点的最大弯矩M和最大轴力N，判定此时为最不利受力工况，进而计算节点拉力Nxi和混凝土的受压区高度x，其他参数系统默认给出，用户可以根据实际情况进行修改；

螺栓抗剪承载力试算模块，其根据的单节点螺栓个数、螺栓受剪面个数、螺栓抗剪强度设计值和螺栓直径计算节点的螺栓抗剪承载力Nv,b；

钢板抗拉承载力试算模块，其根据输入的钢板个数、钢板截面面积、钢板抗拉强度计算钢板抗拉承载力Np；

混凝土抗冲切承载力计算模块，其根据输入混凝土、钢筋相关系数和尺寸信息计算混凝土抗冲切承载力Fl；

单节点螺栓个数计算模块，取螺栓抗剪承载力Nv,b、钢板抗拉承载力Np以及混凝土抗冲切承载力Fl中的最小值为节点最小承载力Nji，所述单节点螺栓个数计算模块中，当预设螺栓个数为n时Nji>Nxi，且预设螺栓个数为n-1时Nj《Nx，则判定预设螺栓个数合格；

单层螺栓个数计算模块，可调用单节点螺栓个数计算模块计算出的螺栓个数，再结合输入对应层各轴线上的墙板数计算单层螺栓个数；该模块可分别对各层的所需的螺栓个数进行计算；

螺栓总数计算模块，其在每层楼所需的螺栓个数计算完成后，计算螺栓装配结构的螺栓总数。

此实施例中，螺栓抗剪承载力试算模块、钢板抗拉承载力试算模块、混凝土抗冲切承载力计算模块的所有参数都有默认值，用户可以根据工程实际情况进行修改。

实施例二

本实施例提供一种螺栓装配结构节点计算方法，具体计算螺栓装配结构所需的螺栓总数，如图2所示，其包括以下步骤，

如图3所示，S1：计算节点拉力Nxi和混凝土受压区高度x；

通过有限元结构计算软件计算最不利受力工况下的节点的拉力Nxi，

根据轴力平衡，得出最大轴力计算公式：

N＝α₁f_cb_wx-(N_x1+N_x2)

式中：

N-节点的最大轴力；

f_c-混凝土轴心抗压强度设计值；

b_w-矩形截面墙板的厚度；

x-等效矩形应力图形的混凝土受压区高度；

N_x1，N_x2-节点1和节点2的拉力；

α1-混凝土强度等级相关的系数，当混凝土强度等级不超过C50时，α1取值1.0；当混凝土强度等级为C80时，α1取值为0.94，其间按线性内插法确定；

根据弯矩平衡，得出节点弯矩平衡公式：

M-节点的最大弯矩；

l₁-节点1到混凝土受压边缘的距离；

l₂-节点2到混凝土受压边缘的距离；

h-墙体的宽度。

S2：输入单个节点螺栓个数，试算节点最小承载力Nji

计算螺栓抗剪承载力Nv,b、钢板抗拉承载力Np、混凝土抗冲切承载力Fl；

节点最小承载力Nji为螺栓抗剪承载力Nv,b、钢板抗拉承载力Np、混凝土抗冲切承载力Fl中的最小值。

S3：对比Nji与Nxi，

若输入螺栓个数n时Nji>Nxi，且输入螺栓个数为n-1时Nji≤Nxi，则合格，

若否，执行步骤S2，直至合格；

S4：根据各个轴线上墙板的个数计算每层楼需要的螺栓个数计算各层螺栓个数；

S5：在每层楼所需的螺栓个数计算完成后计算螺栓总数。

具体来说，螺栓抗剪承载力Nv,b、钢板抗拉承载力Np、混凝土抗冲切承载力Fl的计算公式如下，

螺栓抗剪承载力Nv,b计算公式如下

N_v,b-螺栓抗剪承载力；

n_b-节点中螺栓个数；

n_v-螺栓受剪面个数；

螺栓抗剪强度设计值；

钢板抗拉承载力Np计算公式如下

N_p≤n_pf_pA_p

N_p-钢板抗拉承载力；

n_p-节点中手拉钢板个数；

f_p-节点中钢板抗拉强度设计值；

A_p-钢板截面面积；

混凝土抗冲切承载力Fl计算公式如下

Fl≤0.5f_tηu_mh₀+0.8f_yvA_svu+f_yA_s

Fl-混凝土抗冲切承载力；

f_t-混凝土轴心抗拉强度设计值；

η-集中反力作用面积形状的影响系数；

u_m-计算截面的周长，取距离局部荷载或集中反力作用面积周边h₀/2处板垂直界面的最不利周长；

h₀-截面的有效高度，取两个方向配筋的截面有效高度平均值；

f_yv-箍筋的抗拉强度设计值；

A_svu、A_s与呈45°冲切破坏锥体斜截面相交和穿过冲切体顶面的全部箍筋、竖向钢筋截面面积；

f_y-钢筋的抗拉强度设计值。

本实施例采取的计算方法，当预设螺栓个数为n时Nji>Nxi，且预设螺栓个数为n-1时Nji《Nxi，则判定预设螺栓个数合格；可保证节点最小承载力Nji大于节点压力Nxi，使螺栓装配结构节点结构性能稳固，同时合理的确认螺栓个数，避免使用过多螺栓造成浪费。

实施例三

本实施例提供一种计算螺栓装配结构所需螺栓总数的具体实施案例。

计算节点拉力Nxi和受压高度x，如图4所示的节点拉力计算界面，输入有限元软件计算出的最大弯矩M为93.8KN.m和最大轴力N为37.6KN，其他参数系统默认给出，具体数值参照图4所示，通过计算可得出节点拉力Nxi和受压高度x。

计算螺栓抗剪承载力Nv,b，如图5所示的螺栓抗剪承载力计算界面，输入单节点螺栓个数试算值8、螺栓抗剪强度250MPa、螺栓直径18mm、螺栓受剪面个数8个，系统计算可输出螺栓抗剪强度972KN。

计算钢板抗拉承载力Np，如图6所示的钢板抗拉强度计算界面，输入钢板个数2个，钢材抗拉强度、钢板截面面积系统默认给出，系统计算得出钢板抗拉强度241KN。

计算混凝土抗冲切承载力Fl，如图7所示混凝土抗冲切计算界面，所有参数有默认值，系统计算得出混凝土抗冲切承载力Fl的值为1521.5KN、节点承载力241KN。

计算第一层螺栓个数，输入各个轴线上墙板个数，如图8所示，1-2轴墙板个数8个，2-1轴墙板个数8个，A-B轴墙板个数8个，B-A轴墙板个数8个；相邻墙板之间螺栓连接个数调用螺栓抗剪承载力计算界面输入的单节点螺栓个数8个，每块地板和地基连接螺栓个数0个，系统通过计算得出第一层螺栓个数。

计算第二层螺栓个数，输入各个轴线上墙板个数，如图9所示，1-2轴墙板个数8个，2-1轴墙板个数8个，A-B轴墙板个数8个，B-A轴墙板个数8个；相邻墙板之间螺栓连接个数调用螺栓抗剪承载力计算界面输入的单节点螺栓个数8个，上下层墙板接缝连接螺栓个数8个，相邻墙板之前螺栓连接个数8个，系统通过计算得出第二层螺栓个数。

计算第三层螺栓个数及螺栓装配结构所需的螺栓总数，输入各个轴线上墙板个数，如图10所示，1-2轴墙板个数8个，2-1轴墙板个数8个，A-B轴墙板个数8个，B-A轴墙板个数8个；相邻墙板之间螺栓连接个数调用螺栓抗剪承载力计算界面输入的单节点螺栓个数8个，上下层墙板接缝连接螺栓个数8个，相邻墙板之前螺栓连接个数8个，系统通过计算得出第三层螺栓个数。螺栓总数为各层螺栓个数相加。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (6)

1.一种螺栓装配结构节点计算系统，其特征在于，它包括

节点力计算模块，用于计算最不利受力工况下的节点拉力Nxi；

螺栓抗剪承载力试算模块，预设螺栓个数，计算节点的螺栓抗剪承载力Nv,b；

钢板抗拉承载力试算模块，其计算钢板抗拉承载力Np；

混凝土抗冲切承载力计算模块，其计算混凝土抗冲切承载力Fl；

单节点螺栓个数计算模块，取螺栓抗剪承载力Nv,b、钢板抗拉承载力Np以及混凝土抗冲切承载力Fl中的最小值为节点最小承载力Nji，对比Nji与Nxi，判定预设螺栓个数是否合格；

单层螺栓个数计算模块，其计算单层螺栓个数；

螺栓总数计算模块，其计算螺栓装配结构的螺栓总数；

螺栓抗剪承载力Nv,b计算公式为：

N_v,b为螺栓抗剪承载力；

n_b为节点中螺栓个数；

n_v为螺栓受剪面个数；

为螺栓抗剪强度设计值；

钢板抗拉承载力Np计算公式为：

N_p≤n_pf_pA_p

N_p为钢板抗拉承载力；

n_p为节点中手拉钢板个数；

f_p为节点中钢板抗拉强度设计值；

A_p为钢板截面面积；

混凝土抗冲切承载力Fl计算公式为：

F1≤0.5f_tηu_mh₀+0.8f_yvA_svu+f_yA_s

Fl为混凝土抗冲切承载力；

f_t为混凝土轴心抗拉强度设计值；

η为集中反力作用面积形状的影响系数；

u_m为计算截面的周长，取距离局部荷载或集中反力作用面积周边h₀/2处板垂直界面的最不利周长；

h₀为截面的有效高度，取两个方向配筋的截面有效高度平均值；

f_yv为箍筋的抗拉强度设计值；

A_svu、A_s与呈45°冲切破坏锥体斜截面相交和穿过冲切体顶面的全部箍筋、竖向钢筋截面面积；

f_y为钢筋的抗拉强度设计值；

通过有限元分析计算得出节点的最大弯矩M和最大轴力N，判定此时为最不利受力工况；

根据轴力平衡，得出最大轴力计算公式：

N＝α₁f_cb_wx-(N_x1+N_x2)

式中：

N为节点的最大轴力；

f_c为混凝土轴心抗压强度设计值；

b_w为矩形截面墙板的厚度；

x为等效矩形应力图形的混凝土受压区高度；

N_x1，N_x2分别为节点1和节点2的拉力；

α1为混凝土强度等级相关的系数；

根据弯矩平衡，得出节点弯矩平衡公式：

M为节点的最大弯矩；

l₁为节点1到混凝土受压边缘的距离；

l₂为节点2到混凝土受压边缘的距离；

h为墙体的宽度。

2.根据权利要求1所述的螺栓装配结构节点计算系统，其特征在于，螺栓抗剪承载力Nv,b根据输入的单节点螺栓个数、螺栓受剪面个数、螺栓抗剪强度设计值和螺栓直径计算；钢板抗拉承载力Np根据输入的钢板个数、钢板截面面积、钢板抗拉强度计算；混凝土抗冲切承载力Fl根据输入混凝土、钢筋相关系数和尺寸信息计算。

3.根据权利要求1所述的螺栓装配结构节点计算系统，其特征在于，所述单节点螺栓个数计算模块中，当预设螺栓个数为n时Nji>Nxi，且预设螺栓个数为n-1时Nji《Nxi，则判定预设螺栓个数合格；所述单层螺栓个数根据对应层各轴线上的墙板数计算。

4.根据权利要求1所述的螺栓装配结构节点计算系统，其特征在于，所述节点力计算模块还输出混凝土的受压区高度x。

5.一种螺栓装配结构节点计算方法，其特征在于，包括以下步骤，

S1：计算节点拉力Nxi和混凝土受压区高度x；

S2：输入单个节点螺栓个数，试算节点最小承载力Nji；

S3：对比Nji与Nxi，

若输入螺栓个数n时Nji>Nxi，且输入螺栓个数为n-1时Nji≤Nxi，则合格，

若否，执行步骤S2，直至合格；

S4：计算各层螺栓个数；

S5：计算螺栓总数；

步骤S1计算节点拉力Nx和混凝土受压区高度x，具体包括，

通过有限元结构计算软件计算最不利受力工况下的节点的拉力Nxi，

根据轴力平衡，得出最大轴力计算公式：

N＝α₁f_cb_wx-(N_x1+N_x2)

式中：

N-节点的最大轴力；

f_c-混凝土轴心抗压强度设计值；

b_w-矩形截面墙板的厚度；

x-等效矩形应力图形的混凝土受压区高度；

N_x1，N_x2-节点1和节点2的拉力；

α1-混凝土强度等级相关的系数，当混凝土强度等级不超过C50时，α1取值1.0；当混凝土强度等级为C80时，α1取值为0.94，其间按线性内插法确定；

根据弯矩平衡，得出节点弯矩平衡公式：

M-节点的最大弯矩；

l₁-节点1到混凝土受压边缘的距离；

l₂-节点2到混凝土受压边缘的距离；

h-墙体的宽度；

所述步骤S2计算节点承载力设计值；具体包括

计算螺栓抗剪承载力Nv,b、钢板抗拉承载力Np、混凝土抗冲切承载力Fl；

节点最小承载力Nji为螺栓抗剪承载力Nv,b、钢板抗拉承载力Np、混凝土抗冲切承载力Fl中的最小值；

螺栓抗剪承载力Nv,b计算公式如下

N_v,b-螺栓抗剪承载力；

n_n-节点中螺栓个数；

n_v-螺栓受剪面个数；

-螺栓抗剪强度设计值；

钢板抗拉承载力Np计算公式如下

N_p≤n_pf_pA_p

N_p-钢板抗拉承载力；

n_p-节点中手拉钢板个数；

f_p-节点中钢板抗拉强度设计值；

A_p-钢板截面面积；

混凝土抗冲切承载力Fl计算公式如下

Fl≤0.5f_tηu_mh₀+0.8f_yvA_svu+f_yA_s

Fl-混凝土抗冲切承载力；

f_t-混凝土轴心抗拉强度设计值；

η-集中反力作用面积形状的影响系数；

u_m-计算截面的周长，取距离局部荷载或集中反力作用面积周边h₀/2处板垂直界面的最不利周长；

h₀-截面的有效高度，取两个方向配筋的截面有效高度平均值；

f_yv-箍筋的抗拉强度设计值；

A_svu、A_s与呈45°冲切破坏锥体斜截面相交和穿过冲切体顶面的全部箍筋、竖向钢筋截面面积；

f_y-钢筋的抗拉强度设计值。

6.根据权利要求5所述的螺栓装配结构节点计算方法，其特征在于，步骤S4计算各层螺栓个数，根据各个轴线上墙板的个数计算每层楼需要的螺栓个数。