CN113962126A - 一种钢管混凝土初应力的评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及涉及钢管混凝土构件安全性评估领域，具体涉及一种钢管混凝土初应力的评估方法，包括S1：建立综合偏心率e合关于钢管初应力度βs、偏心率e1、偏心率e2的函数表达式e合＝f(βs，e1，e2)，建立初应力折减系数KP关于钢管初应力度βs、偏心率e1、偏心率e2的函数表达式Kp＝g(βs，e1，e2)；S2：计算待评估钢管混凝土构件的极限轴力和极限弯矩，评估待评估钢管混凝土构件的初应力影响。本发明结合综合偏心率和钢管初应力折减系数，能够综合考虑两阶段受力偏心率不同的情况，正确评估钢管初应力实际情况和影响程度，保证钢管混凝土结构的安全性。
Description
技术领域
本发明涉及钢管混凝土构件安全性评估领域，特别是一种钢管混凝土初应力的评估方法。
背景技术
钢管混凝土是钢管和混凝土的组合结构，能够充分发挥两种材料的受力优势，钢管的约束作用能够显著提高混凝土的强度和延性，而混凝土作为钢管的内部支撑，则能够有效避免钢管向内发生屈曲失稳，钢管混凝土常用于高层建筑和桥梁工程中的轴向受力为主的构件中，例如高层建筑的柱子以及钢管混凝土拱桥的主拱。
实际中钢管和混凝土是分开施工的，例如钢管混凝土拱桥，先架设空钢管拱肋，合拢后再灌注混凝土，混凝土凝结硬化后与钢管共同受力，在钢管和混凝土共同受力之前，钢管承受其自重与混凝土的湿重，处于小偏心受压状态，承受的轴力为N1、弯矩为M1，产生的钢管应力也称为钢管初应力，这是第一阶段受力。而钢管混凝土在共同受力之后，由于二期恒载、活载等影响，钢管混凝土同样处于偏压受力状态，新增加荷载产生的轴力为N2、弯矩为M2，这是第二阶段受力。第二阶段受力的偏心距e2与第一阶段受力的偏心距e1不同，即M1/N1≠M2/N2，这就是钢管混凝土构件两阶段受力偏心率不同的问题。
在钢管混凝土结构设计或安全性评估时，需要正确考虑钢管混凝土构件两阶段受力特点，否则将导致错误的钢管混凝土构件承载力，影响结构的安全性。然而当前钢管混凝土设计理论或是评估方法都是建立在钢管和混凝土共同受力的基础上，未考虑两阶段受力问题，例如《钢管混凝土结构技术规范》GB 50936-2014和《钢管混凝土拱桥技术规范》GB50923-2013，评估公式分别如式(1)和式(2)所示。
《钢管混凝土结构技术规范》GB 50936-2014：
式中，N、M、Nu、Mu、βm、N′E分别为钢管混凝土构件承受的轴力、承受的弯矩、构件轴压稳定承载力、构件受弯承载力、等效弯矩系数和系数。
《钢管混凝土拱桥技术规范》GB 50923-2013：
式中，γ0、Ns、
N0分别为钢管混凝土结构重要性系数、构件承受的轴向力、稳定系数、偏心率折减系数和轴心抗压强度。
此时如果需要评估两阶段受力的钢管混凝土构件真实承载状态，就需要建立两阶段受力对承载力的影响系数，例如《钢管混凝土拱桥技术规范》GB50923-2013和《公路钢管混凝土拱桥设计规范》JTG/T D65-06-2015给出的钢管初应力折减系数KP，分别如式(3)和式(4)所示。
《钢管混凝土拱桥技术规范》GB 50923-2013：
KP＝1-0.24amβ (3)
式中，a为考虑长细比影响的系数，m为考虑偏心率的影响系数，β为钢管初应力度。
《公路钢管混凝土拱桥设计规范JTG/T D65-06-2015：
KP＝1-0.15βd (4)
式中，βd为钢管初应力度，JTG/T D65-06规定其值不应超过0.65，采用钢管强度设计值计算。
式(3)和式(4)考虑了钢管先受力对钢管混凝土构件的不利影响，但折减系数未考虑两阶段受力偏心距不同的实际情况，GB 50923-2013考虑了构件的偏心率但是没有考虑两阶段偏心率的不同，采用的是总的偏心率，可能导致不准确的承载力评估结果。实际上两阶段受力偏心率不同时，评估钢管混凝土构件的承载力难度较大，首先面临的难题是以何种受力状态作为基准，由于两个阶段受力的偏心距不同，e1≠e2，以任何一个受力阶段的偏心率作为基准都无法准确反映另一阶段受力的影响，但如果考虑两个偏心率则又无法利用承载力相关方程进行构件安全性评估，因此有必要提出能够反映两阶段受力特点的综合偏心率计算公式。其次面临的难题是如何建立考虑两阶段受力偏心率不同时的构件承载力折减系数，该系数要能够反映两个阶段的偏心率情况，以及第一个阶段受力的大小，从而评估剩余的承载力大小。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术存在的问题，提供一种钢管混凝土初应力的评估方法，能够为两阶段受力偏心率不同时评估钢管初应力影响提供定量方法，从而更加真实准确认识和评估钢管初应力的影响。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种钢管混凝土初应力的评估方法，包括以下步骤：
S1：建立钢管混凝土构件综合偏心率e合和初应力折减系数KP的函数表达式；
S11：对钢管施加第一阶段荷载，施加过程中保证截面承受的轴力和弯矩满足偏心率e1＝＝M1/N1，当截面承受的轴力达到N1且截面承受的弯矩同时达到M1时停止加载，其中，N1为钢管在混凝土固化之前截面所承受的最大轴力，M1为钢管在混凝土固化之前截面所承受的最大弯矩；
S12：对钢管混凝土施加第二阶段荷载，施加过程中保证截面承受的轴力和弯矩满足偏心率e2＝M2max/N2max，当构件达到破坏状态时停止加载，其中，N1+N2max为混凝土固化之后钢管混凝土截面所承受的极限轴力，M1+M2max为混凝土固化之后钢管混凝土截面所承受的极限弯矩；
S13：计算得到一组综合偏心率
S14：根据综合偏心率e合，结合无钢管初应力的钢管混凝土构件承载力计算公式，得到无钢管初应力时钢管混凝土构件的极限轴力N0；
S15：计算得到一组钢管初应力折减系数
S16：改变钢管初应力度βs、偏心率e1、偏心率e2的取值，重复步骤S11至步骤S15，得到多组综合偏心率e合和初应力折减系数KP；
S17：建立综合偏心率e合关于钢管初应力度βs、偏心率e1、偏心率e2的函数表达式e合＝f(βs，e1，e2)，建立初应力折减系数KP关于钢管初应力度βs、偏心率e1、偏心率e2的函数表达式Kp＝g(βs，e1，e2)；
S2：计算待评估钢管混凝土构件的极限轴力和极限弯矩，评估待评估钢管混凝土构件的初应力影响；
S21：在混凝土固化之前，提取待评估钢管混凝土构件的截面内力N1、M1，计算得到钢管初应力度βs、偏心率e1；
S22：在混凝土固化之后，提取待评估钢管混凝土构件的截面内力N2、M2，计算得到偏心率e2，其中，N2为在混凝土固化之后待评估钢管混凝土构件某个截面所承受的轴力，M2为在混凝土固化之后待评估钢管混凝土构件某个截面所承受的弯矩；
S23：代入e合＝f(βs，e1，e2)、Kp＝g(βs，e1，e2)，计算得到待评估钢管混凝土构件的综合偏心率e合、初应力折减系数KP；
S24：根据综合偏心率e合，结合无钢管初应力的钢管混凝土构件承载力计算公式，得到无钢管初应力时待评估钢管混凝土构件的极限轴力N0；
S25：结合初应力折减系数KP，计算得到待评估钢管混凝土构件的极限轴力N1+N2max＝KPN0，待评估钢管混凝土构件的极限弯矩M1+M2max＝e合(N1+N2max)；
S26：利用计算得到的待评估钢管混凝土构件的极限轴力和极限弯矩，评估待评估钢管混凝土构件的结构安全性。
作为本发明的优选方案，步骤S11、S12中，采用试验法或数值法进行荷载加载。
作为本发明的优选方案，所述数值法包括纤维模型法或有限元法。
作为本发明的优选方案，采用试验法时，步骤S11，通过扭紧加载装置的螺杆或是张拉钢绞线进行偏心加载，步骤S12，通过压力机进行加载，不断增大压力，直至构件达到破坏状态。
作为本发明的优选方案，步骤S12中，当求解得到的荷载位移曲线达到峰值点，认为构件进入破坏状态，以荷载位移曲线的最高点作为构件的极限轴力N1+N2max和极限弯矩M1+M2max。
作为本发明的优选方案，步骤S21中，通过现场实测或施工过程数值模拟计算提取待评估钢管混凝土构件的截面内力N1、M1，步骤S22中，通过现场实测或施工过程数值模拟计算提取待评估钢管混凝土构件的截面内力N2、M2。
作为本发明的优选方案，步骤S26中，在施工期间和服役期间，当待评估钢管混凝土构件截面实际承受的轴力和弯矩数值小于计算得到的待评估钢管混凝土构件的极限轴力和极限弯矩，认为待评估钢管混凝土构件是安全的；当待评估钢管混凝土构件截面实际承受的轴力和弯矩数值等于或大于计算得到的待评估钢管混凝土构件的极限轴力和极限弯矩，认为待评估钢管混凝土构件是不安全的。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、当前研究成果未能有效考虑两阶段受力偏心率不同的情况，将导致错误的钢管混凝土构件承载力评估结果。本发明提出两阶段受力偏心率不同时钢管混凝土构件的综合偏心率概念，并建立其关于钢管初应力度和两阶段偏心率的关系，能够准确评估钢管混凝土构件承载力。
2、本发明建立两阶段受力偏心率不同时钢管初应力折减系数，建立了钢管初应力折减系数关于两阶段受力偏心率的函数关系，克服了当前研究成果无法考虑两阶段偏心率不同的情况，并结合综合偏心率，提出了钢管初应力影响评估方法。
3、本发明结合综合偏心率和钢管初应力折减系数，能够综合考虑两阶段受力偏心率不同的情况，正确评估钢管初应力实际情况和影响程度，保证钢管混凝土结构的安全性。
附图说明
图1是本发明的流程示意图。
图2是本发明的钢管混凝土构件的轴力弯矩图。
图3是本发明的典型荷载位移曲线。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细的说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
一种钢管混凝土初应力的评估方法，包括以下步骤：
S1：建立钢管混凝土构件综合偏心率e合和初应力折减系数KP的函数表达式；
S11：对钢管施加第一阶段荷载，施加过程中保证截面承受的轴力和弯矩满足偏心率e1＝M1/N1，当截面承受的轴力达到N1且截面承受的弯矩同时达到M1时停止加载，其中，N1为钢管在混凝土固化之前截面所承受的最大轴力，M1为钢管在混凝土固化之前截面所承受的最大弯矩；
本步骤不限定是采用试验方法还是数值方法，如果是采用试验方法，第一阶段的受力一般是通过加载装置加载的，通过扭紧螺杆或是张拉钢绞线进行偏心加载，保证截面上承受的轴力和弯矩满足e1＝M1/N1，轴力和弯矩会同时达到N1和M1，然后停止加载。而如果是采用数值方法会更加简便，可以是纤维模型法或是有限元法，纤维模型法是对截面进行纤维模型划分，通过增大跨中挠度进行加载，保证端头轴力和弯矩满足e1＝M1/N1，从而基于跨中截面弯矩平衡方程找到截面应变分布，当截面的轴力和弯矩达到N1和M1时停止加载。有限元法是通过建立构件的有限元模型，在构件两段进行偏心压力加载，偏心距为e1＝M1/N1，求解平衡方程得到每一荷载步的结果，轴力达到N1时停止加载，此时弯矩会同时达到M。
S12：对钢管混凝土施加第二阶段荷载，施加过程中保证截面承受的轴力和弯矩满足偏心率e2＝M2max/N2max，当构件达到破坏状态时停止加载，其中，N1+N2max为混凝土固化之后钢管混凝土截面所承受的极限轴力，M1+M2max为混凝土固化之后钢管混凝土截面所承受的极限弯矩；
在第一阶段受力基础上，钢管内部灌注混凝土，混凝土凝结硬化后进入第二步加载，此时同样是偏心受压问题，荷载以偏心压力的形式存在，此时弯矩M2＝N2·e2。与第一步骤类似，本步骤不限定是采用试验方法还是数值方法，由于第二阶段需要构件加载到破坏状态，如果是采用试验方法，第二阶段的受力一般是在压力机上加载的，控制好偏心距为e2，不断增大压力，构件达到破坏状态，达到N2max，此时弯矩为M2max，采用试验方法时，当压力机无法进一步加大荷载时，构件达到破坏状态，此时构件无法承受更大的压力，荷载位移曲线也进入下降段，典型荷载位移曲线如图3所示。数值法同样可以是纤维模型法或是有限元法，加载步骤与第一阶段是类似的，保证轴力和弯矩满足e2＝M2/N2，区别在于第二阶段需要考虑混凝土的贡献，纤维模型法中需要考虑混凝土纤维的贡献，有限元法中需要考虑混凝土单元的贡献，当求解得到的荷载位移曲线达到峰值点，认为构件进入破坏状态，以荷载位移曲线的最高点作为构件的极限承载力N2max，此时弯矩为M2max。
S13：计算得到一组综合偏心率
借助于钢管混凝土构件的轴力-弯矩曲线描述两阶段受力偏心率不同的问题，如图2所示，Mu表示轴力为0情况下钢管混凝土构件的极限弯矩，Nu表示弯矩为0情况下钢管混凝土构件的极限轴力。
第一阶段仅钢管受力，构件受力达到(M1，N1)点，此时的偏心距为e1，第二阶段钢管混凝土共同受力，弯矩M2和轴力N2的比例即偏心距为e2，随着受力逐渐增大，构件在(M1+M2max，N1+N2max)点处达到破坏状态，钢管初应力会导致钢管混凝土构件承载力降低。但如果没有钢管初应力的影响，则构件在(M0，N0)处破坏，承载力的降低以钢管初应力折减系数进行表示。
综合偏心率
S14：根据综合偏心率e合，结合无钢管初应力的钢管混凝土构件承载力计算公式(即图2中的包络线)，得到无钢管初应力时钢管混凝土构件的极限轴力N0；
S15：计算得到一组钢管初应力折减系数
由于钢管初应力的存在，导致构件承载力降低，折减系数定义为有钢管初应力的构件承载力与无钢管初应力的构件承载力的比值。
S16：改变钢管初应力度βs、偏心率e1、偏心率e2的取值，重复步骤S11至步骤S15，得到多组综合偏心率e合和初应力折减系数KP；钢管初应力度βs为钢管应力与钢管屈服强度的比值，改变钢管初应力度βs即改变了N1、M1、N2max、M2max的取值。
S17：数据组足够多，建立综合偏心率e合关于钢管初应力度βs、偏心率e1、偏心率e2的函数表达式e合＝f(βs，e1，e2)，建立初应力折减系数KP关于钢管初应力度βs、偏心率e1、偏心率e2的函数表达式Kp＝g(βs，e1，e2)。
S2：计算待评估钢管混凝土构件的极限轴力和极限弯矩，评估待评估钢管混凝土构件的初应力影响；
S21：在混凝土固化之前，提取待评估钢管混凝土构件的截面内力N1、M1，计算得到钢管初应力度βs、偏心率e1；
以钢管混凝土拱桥为例，在设计过程中需要验算钢管混凝土主拱的安全性，一般利用MidasCivil进行施工过程分析，钢管节段分阶段吊装，然后合拢后灌注混凝土，在混凝土凝结硬化前钢管承受钢管自重和混凝土湿重，产生钢管初应力，因此在激活混凝土刚度之前会提取出危险截面的轴力和弯矩，也就是本发明所指N1和M1，从而能够得到偏心距e1和钢管初应力度βs。
S22：在混凝土固化之后，提取待评估钢管混凝土构件的截面内力N2、M2，计算得到偏心率e2，其中，N2为在混凝土固化之后待评估钢管混凝土构件某个截面所承受的轴力，M2为在混凝土固化之后待评估钢管混凝土构件某个截面所承受的弯矩；
以钢管混凝土拱桥为例，继续安装吊杆和桥面系，施加二期恒载和活载，在危险截面处提取轴力和弯矩，也就是本发明所指N2和M2，同样能够得到第二阶段的偏心距e2。
S23：代入e合＝f(βs，e1，e2)、Kp＝g(βs，e1，e2)，计算得到待评估钢管混凝土构件的综合偏心率e合、初应力折减系数KP；
S24：根据综合偏心率e合，结合无钢管初应力的钢管混凝土构件承载力计算公式(即图2中包络线)，得到无钢管初应力时待评估钢管混凝土构件的极限轴力N0；
S25：结合初应力折减系数KP，计算得到待评估钢管混凝土构件的极限轴力N1+N2max＝KPN0，待评估钢管混凝土构件的极限弯矩M1+M2max＝e合(N1+N2max)；
S26：利用计算得到的待评估钢管混凝土构件的极限轴力和极限弯矩，评估待评估钢管混凝土构件的结构安全性。
优选的，在施工期间和服役期间，评估待评估钢管混凝土构件截面实际承受的轴力和弯矩，当数值小于计算得到的待评估钢管混凝土构件的极限轴力和极限弯矩，认为待评估钢管混凝土构件是安全的；当数值等于或大于计算得到的待评估钢管混凝土构件的极限轴力和极限弯矩，认为待评估钢管混凝土构件是不安全的。
优选的，步骤S21中，通过现场实测提取待评估钢管混凝土构件的截面内力N1、M1，步骤S22中，通过现场实测提取待评估钢管混凝土构件的截面内力N2、M2。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种钢管混凝土初应力的评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：建立钢管混凝土构件综合偏心率e合和初应力折减系数KP的函数表达式；
S11：对钢管施加第一阶段荷载，施加过程中保证截面承受的轴力和弯矩满足偏心率e1＝M1/N1，当截面承受的轴力达到N1且截面承受的弯矩同时达到M1时停止加载，其中，N1为钢管在混凝土固化之前截面所承受的最大轴力，M1为钢管在混凝土固化之前截面所承受的最大弯矩；
S12：对钢管混凝土施加第二阶段荷载，施加过程中保证截面承受的轴力和弯矩满足偏心率e2＝M2max/N2max，当构件达到破坏状态时停止加载，其中，N1+N2max为混凝土固化之后钢管混凝土截面所承受的极限轴力，M1+M2max为混凝土固化之后钢管混凝土截面所承受的极限弯矩；
S13：计算得到一组综合偏心率
S14：根据综合偏心率e合，结合无钢管初应力的钢管混凝土构件承载力计算公式，得到无钢管初应力时钢管混凝土构件的极限轴力N0；
S15：计算得到一组钢管初应力折减系数
S16：改变钢管初应力度βs、偏心率e1、偏心率e2的取值，重复步骤S11至步骤S15，得到多组综合偏心率e合和初应力折减系数KP；
S17：建立综合偏心率e合关于钢管初应力度βs、偏心率e1、偏心率e2的函数表达式e合＝f(βs，e1，e2)，建立初应力折减系数KP关于钢管初应力度βs、偏心率e1、偏心率e2的函数表达式Kp＝g(βs，e1，e2)；
S2：计算待评估钢管混凝土构件的极限轴力和极限弯矩，评估待评估钢管混凝土构件的初应力影响；
S21：在混凝土固化之前，提取待评估钢管混凝土构件的截面内力N1、M1，计算得到钢管初应力度βs、偏心率e1；
S22：在混凝土固化之后，提取待评估钢管混凝土构件的截面内力N2、M2，计算得到偏心率e2，其中，N2为在混凝土固化之后待评估钢管混凝土构件某个截面所承受的轴力，M2为在混凝土固化之后待评估钢管混凝土构件某个截面所承受的弯矩；
S23：代入e合＝f(βs，e1，e2)、Kp＝g(βs，e1，e2)，计算得到待评估钢管混凝土构件的综合偏心率e合、初应力折减系数KP；
S24：根据综合偏心率e合，结合无钢管初应力的钢管混凝土构件承载力计算公式，得到无钢管初应力时待评估钢管混凝土构件的极限轴力N0；
S25：结合初应力折减系数KP，计算得到待评估钢管混凝土构件的极限轴力N1+N2max＝KPN0，待评估钢管混凝土构件的极限弯矩M1+M2max＝e合(N1+N2max)；
S26：利用计算得到的待评估钢管混凝土构件的极限轴力和极限弯矩，评估待评估钢管混凝土构件的结构安全性。
2.根据权利要求1所述的一种钢管混凝土初应力的评估方法，其特征在于，步骤S11、S12中，采用试验法或数值法进行荷载加载。
3.根据权利要求2所述的一种钢管混凝土初应力的评估方法，其特征在于，所述数值法包括纤维模型法或有限元法。
4.根据权利要求2所述的一种钢管混凝土初应力的评估方法，其特征在于，采用试验法时，步骤S11，通过扭紧加载装置的螺杆或是张拉钢绞线进行偏心加载，步骤S12，通过压力机进行加载，不断增大压力，直至构件达到破坏状态。
5.根据权利要求1所述的一种钢管混凝土初应力的评估方法，其特征在于，步骤S12中，当求解得到的荷载位移曲线达到峰值点，认为构件进入破坏状态，以荷载位移曲线的最高点作为构件的极限轴力N1+N2max和极限弯矩M1+M2max。
6.根据权利要求1所述的一种钢管混凝土初应力的评估方法，其特征在于，步骤S21中，通过现场实测或施工过程数值模拟计算提取待评估钢管混凝土构件的截面内力N1、M1，步骤S22中，通过现场实测或施工过程数值模拟计算提取待评估钢管混凝土构件的截面内力N2、M2。
7.根据权利要求1-6任一所述的一种钢管混凝土初应力的评估方法，其特征在于，步骤S26中，在施工期间和服役期间，当待评估钢管混凝土构件截面实际承受的轴力和弯矩数值小于计算得到的待评估钢管混凝土构件的极限轴力和极限弯矩，认为待评估钢管混凝土构件是安全的；当待评估钢管混凝土构件截面实际承受的轴力和弯矩数值等于或大于计算得到的待评估钢管混凝土构件的极限轴力和极限弯矩，认为待评估钢管混凝土构件是不安全的。
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|---|
| 陈宝春;黄福云;: "有初应力的钢管混凝土偏压构件极限承载力计算", 长沙交通学院学报, no. 02, 15 June 2008 (2008-06-15) * |
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