CN114297902A - 约束混凝土组合柱在偏压作用下承载力的计算方法 - Google Patents

约束混凝土组合柱在偏压作用下承载力的计算方法 Download PDF

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CN114297902A CN202210010621.2A CN202210010621A CN114297902A CN 114297902 A CN114297902 A CN 114297902A CN 202210010621 A CN202210010621 A CN 202210010621A CN 114297902 A CN114297902 A CN 114297902A
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Abstract

本发明涉及一种约束混凝土组合柱在偏压作用下承载力的计算方法，组合柱包括多边形钢管和波纹板，且多边形钢管内浇筑混凝土形成第二腔混凝土；相邻两个多边形钢管之间通过波纹板相连，多边形钢管与波纹板焊接形成异形多腔体，且在异形多腔体内部浇筑混凝土形成第一腔混凝土，约束混凝土组合柱在偏压作用下的承载力根据异形多腔体内第一腔混凝土承载力、第二腔混凝土承载力和多边形钢管承载力共同确定。本发明仅需要约束混凝土组合柱的材料的强度与几何尺寸等信息，即可计算得到该组合柱的偏压承载力，解决防止组合柱过载的问题，同时可以满足工程精度要求。

Description

约束混凝土组合柱在偏压作用下承载力的计算方法
技术领域
本发明涉及承载力计算技术领域，尤其是指一种约束混凝土组合柱在偏压作用下承载力的计算方法。
背景技术
方钢管混凝土柱，如中国发明专利(CN111507040A)公开的一种波纹侧板-方钢管混凝土柱，具有节点构造简单、连接方便、建筑布置规则、抗弯性能好等优点，因此被广泛用于高层建筑中。但是普通方钢管混凝土柱用钢量较大，在受压时钢管壁易发生局部鼓曲，截面较早地退出工作；且方钢管对混凝土的约束主要集中在角部，中部约束效果一般，存在应力集中的现象，钢管对混凝土的套箍作用发挥不充分，综合受力性能及经济性不强。
在实际工程中，由于材料的非均质性、施工制作偏差等因素的影响，理想的轴心受力构件并不多见，且大多文章集中于研究钢管混凝土组合柱的偏压及抗震性能，而对其偏压力学性能的研究不够深入，且现有钢管混凝土规范对于本新型组合柱的偏压承载力预测较差，无法准确考虑波纹板的约束特性。
综上所述，现有的组合柱无法满足工程项目的结构性能和局部抗屈曲性能的要求，同时，缺少一种可行的、在偏压作用下的极限承载能力的计算方法。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明公开了一种约束混凝土组合柱在偏压作用下承载力的计算方法。
本发明所采用的技术方案如下：
一种约束混凝土组合柱在偏压作用下承载力的计算方法，所述组合柱包括多边形钢管和波纹板，且所述多边形钢管内浇筑混凝土形成第二腔混凝土；相邻两个所述多边形钢管之间通过波纹板相连，所述多边形钢管与所述波纹板焊接形成异形多腔体，且在所述异形多腔体内部浇筑混凝土形成第一腔混凝土，所述约束混凝土组合柱在偏压作用下的承载力根据异形多腔体内第一腔混凝土承载力、第二腔混凝土承载力和多边形钢管承载力共同确定，其中，所述第一腔混凝土承载力的计算方法为：
根据对约束混凝土组合柱的有限元模拟结果，将第一腔混凝土划分为有效约束区和非有效约束区，根据第一腔混凝土的面积和第一腔混凝土的非有效约束区的面积计算第一腔混凝土的有效约束区面积，根据第一腔混凝土的有效约束区面积和第一腔混凝土的面积得到有效约束系数；对异形多腔体进行剥离后，将异形多腔体的异形截面等效为方形截面，并推导方形截面的等效约束应力和平均横向约束应力；根据所述第一腔混凝土有效约束系数、所述等效约束应力、所述平均横向约束应力以及偏心荷载对第一腔混凝土承载力的偏心折减系数，计算异形多腔体内第一腔混凝土偏压承载力；
第二腔混凝土承载力的计算方法为：
根据对约束混凝土组合柱的有限元模拟结果，将第二腔混凝土划分为有效约束区和非有效约束区，根据第二腔混凝土的面积和第二腔混凝土的非有效约束区的面积计算第二腔混凝土的有效约束区面积，根据第二腔混凝土的有效约束区面积和第二腔混凝土的面积得到有效约束系数；根据所述有效约束系数、第二腔内混凝土面积以及偏心荷载对第二腔混凝土承载力的折减系数，计算第二腔混凝土偏压承载力。
其进一步的技术特征在于：计算第一腔混凝土有效约束系数的计算方法为：
Figure BDA0003457192300000021
Figure BDA0003457192300000031
θ1＝0.013eθ
θ2＝0.007eθ
Figure BDA0003457192300000032
θ＝23°
其中：ke1为第一腔混凝土有效约束系数；Ac1为第一腔混凝土面积；Ac1，in为第一腔内混凝土非有效约束区域面积；hc为第一腔宽度；bc为第一腔长度；θ1为第一非有效约束区与其邻边之间的锐角；θ2为第二非有效约束区与其邻边之间的锐角；θ3为第三非有效约束区与其邻边之间的锐角；θ为有限元模拟角。
其进一步的技术特征在于：将异形多腔体的异形截面等效为方形截面，并推导方形截面的等效约束应力和平均横向约束应力的计算方法为：
fr′＝ke1fr
Figure BDA0003457192300000033
teq′＝ηteq
Figure BDA0003457192300000034
Figure BDA0003457192300000035
Figure BDA0003457192300000036
Ac1＝(b-2t1)hc+2(ht+2t2-t1)bc+2hobo
As1＝2bct1+2hct1+2lct2
Figure BDA0003457192300000037
Figure BDA0003457192300000038
Figure BDA0003457192300000041
Figure BDA0003457192300000042
Figure BDA0003457192300000043
其中：fr为等效转换后的方形截面的平均横向约束应力；fr′为考虑强弱约束区修正后的有效平均横向约束力；ke1为第一腔混凝土有效约束系数；Beq为等效转换后的方形钢管截面边长；teq为等效后方形截面的厚度，teq′为考虑波纹褶皱后的修正厚度；η为波纹褶皱增大系数；wb为波纹板的实际长度；lb为波纹板的名义长度；
Figure BDA0003457192300000044
为等效后方形截面钢管的等效约束应力；Ac1为第一腔混凝土面积；As1为波纹板面积；b为组合柱的宽度；t1为波纹板壁厚；hc为第一腔的宽度；ht为第二腔的宽度；t2为多边形钢管壁厚；bc为第一腔的长度；ho为多边形钢管斜边对应第一直角边的计算宽度；bo为斜边对应第二直角边的计算长度；lc为拆分后大腔和小腔体共用钢板的长度；
Figure BDA0003457192300000045
为平均横向约束应力；
Figure BDA0003457192300000046
为偏心折减系数；
Figure BDA0003457192300000047
为轴压时的等效约束应力；e为偏心率；e0为组合柱的截面偏心距；ξ为套箍系数；fc为混凝土的抗压强度标准值；fy1为波纹板抗压或抗拉强度设计值。
其进一步的技术特征在于：计算异形多腔体内第一腔混凝土承载力的计算方法为：
Figure BDA0003457192300000048
N1＝Ac1fcc
其中：fcc为第一腔内混凝土的抗压强度设计值；fc为混凝土的抗压强度标准值；fr′为考虑强弱约束区修正后的有效平均横向约束力；N1为第一腔内混凝土偏压承载力；Ac1为第一腔混凝土面积。
其进一步的技术特征在于：计算第二腔混凝土有效约束系数的计算方法为：
Figure BDA0003457192300000051
Figure BDA0003457192300000052
其中：ke2为第二腔混凝土有效约束系数；Ac2为第二腔内混凝土面积；Ac2，in为第二腔内混凝土非有效约束区域面积；ht为第二腔的宽度；θ1为第二腔第一非有效约束区之间的锐角；bt为第二腔的长度；θ2为第二腔第二非有效约束区之间的锐角。
其进一步的技术特征在于：计算第二腔混凝土偏压承载力的计算方法为：
Figure BDA0003457192300000053
Figure BDA0003457192300000054
Figure BDA0003457192300000055
其中：N2为第二腔混凝土偏压承载力；
Figure BDA0003457192300000056
为偏心率对第二腔内混凝土承载力的折减系数；α为多边形钢管内填充混凝土抗压强度套箍增强系数，根据峰值荷载下多边形钢管内混凝土平均应力，α＝1.1；Ac2为第二腔混凝土面积；fc为混凝土的抗压强度标准值；bt为第二腔的长度；ht为第二腔的宽度；bi为第二腔斜边对应的第一直角边的计算长度；hi为第二腔斜边对应的第二直角边的计算长度；e为偏心率。
其进一步的技术特征在于：计算多边形钢管偏压承载力的计算方法为：
Figure BDA0003457192300000057
Figure BDA0003457192300000058
Figure BDA0003457192300000059
其中：
Figure BDA00034571923000000510
为偏心率对四角钢管承载力的折减系数；fy2为钢管的抗压或抗拉强度设计值；As2为四角多边形钢管截面面积；bt为第二腔的长度；ht为为第二腔的宽度；lc为拆分后大腔和小腔体共用钢板的长度；t2为多边形钢管壁厚；e为偏心率。
其进一步的技术特征在于：所述约束混凝土组合柱在偏压作用下的承载力根据异形多腔体内第一腔混凝土偏压承载力、第二腔混凝土偏压承载力和多边形钢管偏压承载力的和共同确定，其计算方法为：
N＝N1+N2+N3
其中：N为约束混凝土组合柱在偏压作用下的承载力，N1为第一腔混凝土偏压承载力，N2为第二腔混凝土偏压承载力，N3为多边形钢管偏压承载力。
其进一步的技术特征在于：fc的取值范围为30MPa-60MPa，fy1的取值范围为184MPa-420MPa。
其进一步的技术特征在于：fy2的取值范围为184MPa-420MPa。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
1、本发明设计的约束混凝土组合柱结合了波纹板和传统钢管混凝土柱各自的优势，该组合柱将侧板由传统的直钢板改为薄壁波纹板，波纹板的特殊褶皱能与混凝土形成较强的机械咬合作用，从而避免出现类似直钢管混凝土柱中钢管与混凝土过早分离的现象，提高了二者的组合效应。由于横肋波纹板无法直接承受较大的竖向荷载，因此在柱的四角布置钢管可以很好地弥补这一不足。组合柱的外部钢板与内部混凝土之间咬合紧密，二者在偏压荷载作用下协调变形，整个加载过程未出现脱开或者滑移现象，因此在实际工程中，不需要考虑波纹板承载过多的纵向荷载而进行端部切缝处理，减少了制作流程，提高了组合柱的整体性。在装配式建筑领域具有广泛的推广价值和应用前景。
2、本发明设计的计算方法考虑因素全面：将组合柱的截面分为第一腔和四个第二腔两大部分，同时忽略波纹侧板对承载力的直接贡献，将承载力分为多边形钢管、多腔体内第一腔混凝土和多边形钢管内第二腔混凝土三部分，多边形钢管内第二腔混凝土占总体组合柱承载力的10％左右，对组合柱总承载力影响程度较小，故在其承载力基础上考虑有效约束系数并乘以定值套箍系数以得到套箍增强之后的承载力；针对第一腔内核心混凝土的承载力采用了等效转换对复杂截面简单化处理，采用数据回归的方法建立了等效侧向应力与偏心率的关系，以此建立第一腔内核心混凝土抗压强度设计值。
3、本发明推导出约束混凝土组合柱的偏压承载力设计公式，计算公式得到的偏压承载力与试验和有限元分析得出的极限承载力误差均在±10％以内，能够较为准确的计算出多边形钢管-波纹钢板约束混凝土组合柱的偏压承载力，可以满足工程精度要求。
4、本发明的计算方法计算方便，根据本发明提出的约束混凝土组合柱在偏压作用下承载力计算方法，仅需要约束混凝土组合柱材料的强度与几何尺寸等信息，即可计算得到该组合柱的偏压承载力，解决防止组合柱过载的问题，大大节约了本领域技术人员的时间成本。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
图1是约束混凝土组合柱的有限元模型示意图。
图2是偏心受压的约束混凝土组合柱的实物图。
图3是约束混凝土组合柱正面的横向应力分布图。
图4是约束混凝土组合柱靠近偏心一面的横向应力分布图。
图5是约束混凝土组合柱远离偏心一面的横向应力分布图。
图6是约束混凝土组合柱反面的横向应力分布图。
图7是约束混凝土组合的第一腔混凝土和第二腔混凝土的截面示意图。
图8是约束混凝土组合柱的拆分示意图及强弱约束区示意图。
图9是约束混凝土组合柱拆分后第一腔截面转化为等效方形截面示意图。
图10是偏压承载力计算公式中波纹褶皱放大系数的计算示意图。
图11是偏压承载力计算公式中波纹褶皱放大系数的计算实物图。
图12是偏压承载力计算公式中拆分后的截面尺寸的计算示意图。
图13是约束混凝土组合柱加载装置的示意图。
图14是约束混凝土组合柱加载装置的实物图。
图15是本发明的偏压承载力的模拟值和试验、有限元模拟值的对比图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考附图对实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明，此外，在全部实施例中，相同的附图标号表示相同的元件。
结合图1和图2，一种约束混凝土组合柱包括多边形钢管和波纹板，且多边形钢管内浇筑混凝土形成第二腔混凝土；相邻两个多边形钢管之间通过波纹板相连，多边形钢管与波纹板焊接形成异形多腔体，且在异形多腔体内部浇筑混凝土形成第一腔混凝土。
结合图7-图12，一种约束混凝土组合柱在偏压作用下承载力的计算方法的计算思路如下：
第一步：将组合柱的截面分为第一腔和四个第二腔两大部分，同时忽略波纹侧板对承载力的直接贡献，将偏压承载力分为异形多腔体内第一腔混凝土、第二腔混凝土和多边形钢管三部分；
第二步：分别考虑波纹板对第一腔内核心混凝土受压承载力和钢管对多边形钢管内第二腔混凝土偏压承载力的提高，多边形钢管内第二腔混凝土占总体组合柱承载力的10％左右，在其承载力基础上乘以定值套箍系数以得到套箍增强之后的承载力，同时考虑偏心率对各部分承载力的折减系数，针对第一腔内核心混凝土的承载力则基于Mander模型建立等效约束应力与约束混凝土抗压强度函数关系，采用了等效转换对复杂截面简单化处理，采用数据回归的方法建立了等效侧向应力与偏心率的关系，同时考虑强弱约束区对第一腔内有效约束面积进行修正，以此建立第一腔混凝土的抗压强度设计值；
第三步：将各部分承载力相加，得到一种约束混凝土组合柱在偏压作用下的承载力。
结合图3-图6，约束混凝土组合柱的每一面的横向应力可以反映约束效应大小。由此可以看出，约束混凝土组合柱靠近偏心一面的约束应力最大，沿柱高分布最广；约束混凝土组合柱远离偏心一面的为受拉侧即大偏心的情况下，约束水平最低，分布沿柱高最小；约束混凝土组合柱正面和反面的约束水平相似，介于靠近偏心一面和远离偏心一面之间。因此，受压侧约束效应大，相应的，非有效约束区就小，反映在图8中θ2就是较小，受拉侧约束效应小，所以θ1较大，θ3介于二者之间，故θ3取θ1和θ2之和的平均值。
具体地，一种约束混凝土组合柱包括多边形钢管和波纹板的计算方法包括以下计算步骤：
将约束混凝土组合柱在偏压作用下的承载力根据异形多腔体内第一腔混凝土承载力、第二腔混凝土承载力和多边形钢管承载力共同确定，其中，第一腔混凝土承载力的计算方法为：
根据对约束混凝土组合柱的有限元模拟结果，将第一腔混凝土划分为有效约束区和非有效约束区，第一腔混凝土的非有效约束区根据约束效应结果划分为第一非有效约束区、第二非有效约束区和第三非有效约束区。根据第一腔混凝土的面积和第一腔混凝土的非有效约束区的面积计算第一腔混凝土的有效约束区面积，根据第一腔混凝土的有效约束区面积和第一腔混凝土的面积得到有效约束系数；对异形多腔体进行剥离后，将异形多腔体的异形截面等效为方形截面，并推导方形截面的等效约束应力和平均横向约束应力；根据第一腔混凝土有效约束系数、等效约束应力、平均横向约束应力以及偏心荷载对第一腔混凝土承载力的偏心折减系数，计算异形多腔体内第一腔混凝土偏压承载力。
第二腔混凝土承载力的计算方法为：
根据对约束混凝土组合柱的有限元模拟结果，将第二腔混凝土划分为有效约束区和非有效约束区，同时第二腔混凝土的非有效约束区根据约束效应结果划分为第一非有效约束区和第二非有效约束区，根据第二腔混凝土的面积和第二腔混凝土的非有效约束区的面积计算第二腔混凝土的有效约束区面积，根据第二腔混凝土的有效约束区面积和第二腔混凝土的面积得到有效约束系数；根据有效约束系数、第二腔内混凝土面积以及偏心荷载对第二腔混凝土承载力的折减系数，计算第二腔混凝土偏压承载力。
根据第一腔混凝土的面积和第一腔混凝土的非有效约束区的面积计算第一腔混凝土的有效约束区面积，根据第一腔混凝土的有效约束区面积和第一腔混凝土的面积得到有效约束系数的计算方法为：
Figure BDA0003457192300000101
Figure BDA0003457192300000102
θ1＝0.013eθ
θ2＝0.007eθ
Figure BDA0003457192300000103
θ＝23°
其中：ke1为第一腔混凝土有效约束系数；Ac1为第一腔混凝土面积；Ac1，in为第一腔内混凝土非有效约束区域面积；hc为第一腔宽度；bc为第一腔长度；θ1为第一非有效约束区与其邻边之间的锐角；θ2为第二非有效约束区与其邻边之间的锐角；θ3为第三非有效约束区与其邻边之间的锐角；θ为有限元模拟角。
将异形多腔体的异形截面等效为方形截面，并推导方形截面的等效约束应力和平均横向约束应力的计算方法为：
fr′＝ke1fr
Figure BDA0003457192300000111
teq′＝ηteq
Figure BDA0003457192300000112
Figure BDA0003457192300000113
Figure BDA0003457192300000114
Ac1＝(b-2t1)hc+2(ht+2t2-t1)bc+2hobo
As1＝2bct1+2hct1+2lct2
Figure BDA0003457192300000115
Figure BDA0003457192300000116
Figure BDA0003457192300000117
Figure BDA0003457192300000118
Figure BDA0003457192300000119
其中：fr为等效转换后的方形截面的平均横向约束应力；fr′为考虑强弱约束区修正后的有效平均横向约束力；ke1为第一腔混凝土有效约束系数；Beq为等效转换后的方形钢管截面边长；teq为等效后方形截面的厚度，teq′为考虑波纹褶皱后的修正厚度；η为波纹褶皱增大系数；wb为波纹板的实际长度，即A到B的路径长度；lb为波纹板的名义长度，即A到B的直线长度；
Figure BDA0003457192300000121
为等效后方形截面钢管的等效约束应力；Ac1为第一腔混凝土面积；As1为波纹板面积；b为组合柱的宽度；t1为波纹板壁厚；hc为第一腔的宽度；ht为第二腔的宽度；t2为多边形钢管壁厚；bc为第一腔的长度；ho为多边形钢管斜边对应第一直角边的计算宽度；bo为斜边对应第二直角边的计算长度；lc为拆分后大腔和小腔体共用钢板的长度；
Figure BDA0003457192300000122
为平均横向约束应力；
Figure BDA0003457192300000123
为偏心折减系数；
Figure BDA0003457192300000124
为轴压时的等效约束应力；e为偏心率；e0为组合柱的截面偏心距；ξ为套箍系数；fc为混凝土的抗压强度标准值；fy1为波纹板抗压或抗拉强度设计值。
计算异形多腔体内第一腔混凝土承载力的计算方法为：
Figure BDA0003457192300000125
N1＝Ac1fcc
其中：fcc为第一腔内混凝土的抗压强度设计值；fc为混凝土的抗压强度标准值；fr′为考虑强弱约束区修正后的有效平均横向约束力；N1为第一腔内混凝土偏压承载力；Ac1为第一腔混凝土面积。
根据第二腔混凝土的面积和第二腔混凝土的非有效约束区的面积计算第二腔混凝土的有效约束区面积，根据第二腔混凝土的有效约束区面积和第二腔混凝土的面积得到有效约束系数的计算方法为：
Figure BDA0003457192300000126
Figure BDA0003457192300000127
其中：ke2为第二腔混凝土有效约束系数；Ac2为第二腔内混凝土面积；Ac2，in为第二腔内混凝土非有效约束区域面积；ht为第二腔的宽度；θ1为第二腔第一非有效约束区之间的锐角；bt为第二腔的长度；θ2为第二腔第二非有效约束区之间的锐角。
计算第二腔混凝土偏压承载力的计算方法为：
Figure BDA0003457192300000131
Figure BDA0003457192300000132
Figure BDA0003457192300000133
其中：N2为第二腔混凝土偏压承载力；
Figure BDA0003457192300000134
为偏心率对第二腔内混凝土承载力的折减系数；α为多边形钢管内填充混凝土抗压强度套箍增强系数，根据峰值荷载下多边形钢管内混凝土平均应力，α＝1.1；Ac2为第二腔混凝土面积；fc为混凝土的抗压强度标准值；bt为第二腔的长度；ht为第二腔的宽度；bi为第二腔斜边对应的第一直角边的计算长度；hi为第二腔斜边对应的第二直角边的计算长度；e为偏心率。
计算多边形钢管偏压承载力的计算方法为：
Figure BDA0003457192300000135
Figure BDA0003457192300000136
Figure BDA0003457192300000137
其中：
Figure BDA0003457192300000138
为偏心率对四角钢管承载力的折减系数；fy2为钢管的抗压或抗拉强度设计值；As2为四角多边形钢管截面面积；bt为第二腔的长度；ht为为第二腔的宽度；lc为拆分后大腔和小腔体共用钢板的长度；t2为多边形钢管壁厚；e为偏心率。
约束混凝土组合柱在偏压作用下的承载力根据异形多腔体内第一腔混凝土偏压承载力、第二腔混凝土偏压承载力和多边形钢管偏压承载力的和共同确定，其计算方法为：
N＝N1+N2+N3
其中：N为约束混凝土组合柱在偏压作用下的承载力，N1为第一腔混凝土偏压承载力，N2为第二腔混凝土偏压承载力，N3为多边形钢管偏压承载力。
上述计算公式的适用范围如下：fc的取值范围为30MPa-60MPa，fy1的取值范围为184MPa-420MPa，fy2的取值范围为184MPa-420MPa，t1和t2的取值范围均为1mm-5mm。
结合图9-图11，研究一种约束混凝土组合柱的偏压承载力计算方法，首先对试件进行设计。
试验在10000kN压力机上进行，由于试件的偏心距不同，因此在试件两端设置了由高强钢制作的加荷板，通过螺栓与试件的端板连接，并在其上按预定偏心距设置相应的条形凹槽，凹槽与刀口铰的刀口相吻合。试件的上下两侧均设置双向刀铰支座。在试件柱顶上下两端分别布置两个位移计，以监测试件加载期间的竖向位移情况；在柱顶、柱底加载点处分别布置两个LVDT位移计D1和D2，用于测量加载过程中试件的竖向位移；在试件的侧面1/4、1/2、3/4柱高处分别布置LVDT位移计D3、D4和D5，用于测量试件的侧向挠度。试件预加载200kN的荷载，初期采用荷载控制加载，每级加载为预计极限荷载的1/10，每级持续时间约为1min。极限荷载之后改用位移控制逐级加载，每级位移增量为2mm，每级持载时间约为1min，当试件中钢管发生明显鼓曲变形时改为缓慢连续加载，直至荷载下降到峰值荷载70％左右停止加载。
实施例1-实施例4：
约束混凝土组合柱采用C30混凝土，实测轴心抗压强度设计值为33.24MPa；波纹板和多边形钢管的钢材选用Q345钢，实测屈服强度设计值为386.33MPa；边形钢管的壁厚为3mm，波纹板的厚度为1.2mm，偏心率分别为0.2、0.4、0.6和0.8。约束混凝土组合柱在偏压作用下的承载力试验值分别为3300kN、3000kN、2800kN、2352kN，采用本发明提出的计算方法得出的公式值分别为3341.24kN、2908.47kN、2815.33kN、2259.64kN，拟合度良好。
由于试验过程存在不确定性，且损耗较大，因此后续实施例中采用ABAQUS有限元模拟得到约束混凝土组合柱的偏压承载力与本发明提出的实用公式计算值进行对比，具体构造参数及用ABAQUS有限元软件计算出的承载力如表1所示。
实施例5-实施例9：
实施例5-实施例9为不同钢管厚度下各偏心试件极限承载力和公式计算值的比较，具体构造参数及用ABAQUS有限元软件计算出的承载力如表2所示。
实施例10-实施例21：
实施例10-实施例21为不同钢管强度下各偏心试件极限承载力和公式计算值的比较，具体构造参数及用ABAQUS有限元软件计算出的承载力如表3所示。
实施例22-实施例29：
实施例22-实施例29为不同混凝土强度下各偏心试件极限承载力和公式计算值的比较，具体构造参数及用ABAQUS有限元软件计算出的承载力如表4所示。
实施例30-实施例39：
实施例30-实施例39为不同波纹板厚度下各偏心试件极限承载力和公式计算值的比较，具体构造参数及用ABAQUS有限元软件计算出的承载力如表5所示。
表1试验极限承载力和公式计算值的比较
编号 f<sub>c</sub>/MPa f<sub>y2</sub>/MPa f<sub>y1</sub>/MPa t<sub>2</sub>/mm t<sub>1</sub>/mm e N<sub>u，e</sub>/kN N<sub>u，c</sub>/kN N<sub>u，e</sub>/N<sub>u，c</sub>
实施例1 30 387 387 3 1.2 0.2 3300.00 3341.24 0.99
实施例2 30 387 387 3 1.2 0.4 3006.00 2908.47 1.03
实施例3 30 387 387 3 1.2 0.6 2903.00 2815.33 1.03
实施例4 30 387 387 3 1.2 0.8 2352.00 2259.64 1.04
表2不同钢管厚度下极限承载力和公式计算值的比较
编号 f<sub>c</sub>/MPa f<sub>y2</sub>/MPa f<sub>y1</sub>/MPa t<sub>2</sub>/mm t<sub>1</sub>/mm e N<sub>u，e</sub>/kN N<sub>u，c</sub>/kN N<sub>u，e</sub>/N<sub>u，c</sub>
实施例5 22.80 387.00 387.00 2.00 1.20 0.20 3484.00 3378.22 1.03
实施例6 22.80 387.00 387.00 2.00 1.20 0.80 2170.00 2170.44 1.00
实施例7 22.80 387.00 387.00 2.00 1.20 1.00 1800.00 1936.01 0.93
实施例8 22.80 387.00 387.00 4.00 1.20 1.50 1550.00 1467.40 1.06
实施例9 22.80 387.00 387.00 4.00 1.20 2.00 1130.00 1059.20 1.07
表3不同钢管强度下极限承载力和公式计算值的比较
编号 f<sub>c</sub>/MPa f<sub>y2</sub>/MPa f<sub>y1</sub>/MPa t<sub>2</sub>/mm t<sub>1</sub>/mm e N<sub>u，e</sub>/kN N<sub>u，c</sub>/kN N<sub>u，e</sub>/N<sub>u，c</sub>
实施例10 22.80 345.00 387.00 3.00 1.20 0.20 3460.00 3605.33 0.96
实施例11 22.80 345.00 387.00 3.00 1.20 0.40 3050.00 2903.66 1.05
实施例12 22.80 345.00 387.00 3.00 1.20 0.60 2705.00 2507.49 1.08
实施例13 22.80 345.00 387.00 3.00 1.20 1.00 2006.00 1960.15 1.02
实施例14 22.80 345.00 387.00 3.00 1.20 1.50 1344.00 1459.14 0.92
实施例15 22.80 345.00 387.00 3.00 1.20 2.00 966.00 1070.97 0.90
实施例16 22.80 345.00 387.00 3.00 1.20 4.00 175.00 185.12 0.95
实施例17 22.80 420.00 387.00 3.00 1.20 0.20 3950.00 3798.43 1.04
实施例18 22.80 420.00 387.00 3.00 1.20 0.60 2920.00 2560.59 1.14
实施例19 22.80 420.00 387.00 3.00 1.20 1.50 1450.00 1462.71 0.99
实施例20 22.80 420.00 387.00 3.00 1.20 2.00 1054.00 1065.88 0.99
实施例21 22.80 420.00 387.00 3.00 1.20 4.00 180.00 166.82 1.08
表4不同混凝土强度下极限承载力和公式计算值的比较
编号 f<sub>c</sub>/MPa fy<sub>2</sub>/MPa f<sub>y1</sub>/MPa t<sub>2</sub>/mm t<sub>1</sub>/mm e N<sub>u，e</sub>/kN N<sub>u，c</sub>/kN N<sub>u，e</sub>/N<sub>u，c</sub>
实施例22 26.60 387.00 387.00 3.00 1.20 0.20 3790.00 4162.59 0.91
实施例23 26.60 387.00 387.00 3.00 1.20 0.60 3000.00 2953.68 1.02
实施例24 26.60 387.00 387.00 3.00 1.20 1.00 2152.00 2364.51 0.91
实施例25 26.60 387.00 387.00 3.00 1.20 1.50 1726.00 1835.23 0.94
实施例26 26.60 387.00 387.00 3.00 1.20 2.00 1332.00 1432.78 0.93
实施例27 26.60 387.00 387.00 3.00 1.20 4.00 568.00 544.99 1.04
实施例28 30.40 387.00 387.00 3.00 1.20 0.20 4400.00 4611.49 0.95
实施例29 30.40 387.00 387.00 3.00 1.20 0.60 3400.00 3372.03 1.01
表5不同波纹板厚度下极限承载力和公式计算值的比较
编号 f<sub>c</sub>/MPa f<sub>y2</sub>/MPa f<sub>y1</sub>/MPa t<sub>2</sub>/mm t<sub>1</sub>/mm e N<sub>u，e</sub>/kN N<sub>u，c</sub>/kN N<sub>u，e</sub>/N<sub>u，c</sub>
实施例30 22.80 387.00 387.00 3.00 2.00 0.20 3726.14 3758.00 0.99
实施例31 22.80 387.00 387.00 3.00 2.00 0.80 2310.69 2532.00 0.91
实施例32 22.80 387.00 387.00 3.00 2.00 1.00 1972.99 2150.00 0.92
实施例33 22.80 387.00 387.00 3.00 2.00 1.50 1345.58 1450.00 0.93
实施例34 22.80 387.00 387.00 3.00 2.00 2.00 993.89 1064.00 0.93
实施例35 22.80 387.00 387.00 3.00 3.00 0.20 3739.00 3928.00 0.95
实施例36 22.80 387.00 387.00 3.00 3.00 0.80 2770.89 2670.00 1.04
实施例37 22.80 387.00 387.00 3.00 3.00 1.00 2329.79 2282.00 1.02
实施例38 22.80 387.00 387.00 3.00 3.00 1.50 1464.16 1532.00 0.96
实施例39 22.80 387.00 387.00 3.00 4.00 0.20 3749.95 4090.00 0.92
注：Nue为试验测得极限荷载或有限元计算的承载力；Nuc为本发明提出的计算方法的公式得出的承载力N。
综上所述：通过试验与有限元分析比较约束混凝土组合柱在偏压作用下的承载力，发现约束混凝土组合柱在偏压作用下的承载能力，主要与多边形钢管的壁厚、波纹板的厚度、偏心率、混凝土强度等级和多边形钢管屈服强度有关。
在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“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。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，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 (10)

1.一种约束混凝土组合柱在偏压作用下承载力的计算方法，所述组合柱包括多边形钢管和波纹板，且所述多边形钢管内浇筑混凝土形成第二腔混凝土；相邻两个所述多边形钢管之间通过波纹板相连，其特征在于：所述多边形钢管与所述波纹板焊接形成异形多腔体，且在所述异形多腔体内部浇筑混凝土形成第一腔混凝土，所述约束混凝土组合柱在偏压作用下的承载力根据异形多腔体内第一腔混凝土承载力、第二腔混凝土承载力和多边形钢管承载力共同确定，其中，所述第一腔混凝土承载力的计算方法为：
根据对约束混凝土组合柱的有限元模拟结果，将第一腔混凝土划分为有效约束区和非有效约束区，根据第一腔混凝土的面积和第一腔混凝土的非有效约束区的面积计算第一腔混凝土的有效约束区面积，根据第一腔混凝土的有效约束区面积和第一腔混凝土的面积得到有效约束系数；对异形多腔体进行剥离后，将异形多腔体的异形截面等效为方形截面，并推导方形截面的等效约束应力和平均横向约束应力；根据所述第一腔混凝土有效约束系数、所述等效约束应力、所述平均横向约束应力以及偏心荷载对第一腔混凝土承载力的偏心折减系数，计算异形多腔体内第一腔混凝土偏压承载力；
第二腔混凝土承载力的计算方法为：
根据对约束混凝土组合柱的有限元模拟结果，将第二腔混凝土划分为有效约束区和非有效约束区，根据第二腔混凝土的面积和第二腔混凝土的非有效约束区的面积计算第二腔混凝土的有效约束区面积，根据第二腔混凝土的有效约束区面积和第二腔混凝土的面积得到有效约束系数；根据所述有效约束系数、第二腔内混凝土面积以及偏心荷载对第二腔混凝土承载力的折减系数，计算第二腔混凝土偏压承载力。
2.根据权利要求1所述的约束混凝土组合柱在偏压作用下承载力的计算方法，其特征在于：根据第一腔混凝土的面积和第一腔混凝土的非有效约束区的面积计算第一腔混凝土的有效约束区面积，根据第一腔混凝土的有效约束区面积和第一腔混凝土的面积得到有效约束系数的计算方法为：
Figure FDA0003457192290000021
Figure FDA0003457192290000022
θ1＝0.013eθ
θ2＝0.007eθ
Figure FDA0003457192290000023
θ＝23°
其中：ke1为第一腔混凝土有效约束系数；Ac1为第一腔混凝土面积；Ac1，in为第一腔混凝土非有效约束区域面积；hc为第一腔宽度；bc为第一腔长度；θ1为第一非有效约束区与其邻边之间的锐角；θ2为第二非有效约束区与其邻边之间的锐角；θ3为第三非有效约束区与其邻边之间的锐角；θ为有限元模拟角。
3.根据权利要求1所述的约束混凝土组合柱在偏压作用下承载力的计算方法，其特征在于：将异形多腔体的异形截面等效为方形截面，并推导方形截面的等效约束应力和平均横向约束应力的计算方法为：
fr′＝ke1fr
Figure FDA0003457192290000024
teq'＝ηteq
Figure FDA0003457192290000025
Figure FDA0003457192290000026
Figure FDA0003457192290000027
Ac1＝(b-2t1)hc+2(ht+2t2-t1)bc+2hobo
As1＝2bct1+2hct1+2lct2
Figure FDA0003457192290000031
Figure FDA0003457192290000032
Figure FDA0003457192290000033
Figure FDA0003457192290000034
Figure FDA0003457192290000035
其中：fr为等效转换后的方形截面的平均横向约束应力；fr'为考虑强弱约束区修正后的有效平均横向约束力；ke1为第一腔混凝土有效约束系数；Beq为等效转换后的方形钢管截面边长；teq为等效后方形截面的厚度，teq'为考虑波纹褶皱后的修正厚度；η为波纹褶皱增大系数；wb为波纹板的实际长度；lb为波纹板的名义长度；
Figure FDA0003457192290000039
为等效后方形截面钢管的等效约束应力；Ac1为第一腔混凝土面积；As1为波纹板面积；b为组合柱的宽度；t1为波纹板壁厚；hc为第一腔的宽度；ht为第二腔的宽度；t2为多边形钢管壁厚；bc为第一腔的长度；ho为多边形钢管斜边对应第一直角边的计算宽度；bo为斜边对应第二直角边的计算长度；lc为拆分后大腔和小腔体共用钢板的长度；
Figure FDA0003457192290000036
为平均横向约束应力；
Figure FDA0003457192290000037
为偏心折减系数；
Figure FDA0003457192290000038
为轴压时的等效约束应力；e为偏心率；e0为组合柱的截面偏心距；ξ为套箍系数；fc为混凝土的抗压强度标准值；fy1为波纹板抗压或抗拉强度设计值。
4.根据权利要求3所述的约束混凝土组合柱在偏压作用下承载力的计算方法，其特征在于：fc的取值范围为30ΜPa-60ΜPa，fy1的取值范围为184ΜPa-420ΜPa。
5.根据权利要求1所述的约束混凝土组合柱在偏压作用下承载力的计算方法，其特征在于：计算异形多腔体内第一腔混凝土承载力的计算方法为：
Figure FDA0003457192290000041
N1＝Ac1fcc
其中：fcc为第一腔混凝土的抗压强度设计值；fc为混凝土的抗压强度标准值；fr'为考虑强弱约束区修正后的有效平均横向约束力；N1为第一腔内混凝土偏压承载力；Ac1为第一腔混凝土面积。
6.根据权利要求1所述的约束混凝土组合柱在偏压作用下承载力的计算方法，其特征在于：根据第二腔混凝土的面积和第二腔混凝土的非有效约束区的面积计算第二腔混凝土的有效约束区面积，根据第二腔混凝土的有效约束区面积和第二腔混凝土的面积得到有效约束系数的计算方法为：
Figure FDA0003457192290000042
Figure FDA0003457192290000043
其中：ke2为第二腔混凝土有效约束系数；Ac2为第二腔混凝土面积；Ac2，in为第二腔混凝土非有效约束区域面积；nt为第二腔的宽度；θ1为第二腔第一非有效约束区之间的锐角；bt为第二腔的长度；θ2为第二腔第二非有效约束区之间的锐角。
7.根据权利要求1所述的约束混凝土组合柱在偏压作用下承载力的计算方法，其特征在于：计算第二腔混凝土偏压承载力的计算方法为：
Figure FDA0003457192290000044
Figure FDA0003457192290000045
Figure FDA0003457192290000046
其中：N2为第二腔混凝土偏压承载力；
Figure FDA0003457192290000047
为偏心率对第二腔内混凝土承载力的折减系数；α为多边形钢管内填充混凝土抗压强度套箍增强系数，根据峰值荷载下多边形钢管内混凝土平均应力，α＝1.1；Ac2为第二腔混凝土面积；fc为混凝土的抗压强度标准值；bt为第二腔的长度；ht为第二腔的宽度；bi为第二腔斜边对应的第一直角边的计算长度；hi为第二腔斜边对应的第二直角边的计算长度；e为偏心率。
8.根据权利要求1所述的约束混凝土组合柱在偏压作用下承载力的计算方法，其特征在于：计算多边形钢管偏压承载力的计算方法为：
Figure FDA0003457192290000051
Figure FDA0003457192290000052
Figure FDA0003457192290000053
其中：
Figure FDA0003457192290000054
为偏心率对四角钢管承载力的折减系数；fy2为钢管的抗压或抗拉强度设计值；As2为多边形钢管截面的面积；bt为第二腔的长度；ht为为第二腔的宽度；lc为拆分后大腔和小腔体共用钢板的长度；t2为多边形钢管壁厚；e为偏心率。
9.根据权利要求8所述的约束混凝土组合柱在偏压作用下承载力的计算方法，其特征在于：fy2的取值范围为184ΜPa-420ΜPa。
10.根据权利要求1所述的约束混凝土组合柱在偏压作用下承载力的计算方法，其特征在于：所述约束混凝土组合柱在偏压作用下的承载力根据异形多腔体内第一腔混凝土偏压承载力、第二腔混凝土偏压承载力和多边形钢管偏压承载力的和共同确定，其计算方法为：
N＝N1+N2+N3
其中：N为约束混凝土组合柱在偏压作用下的承载力，N1为第一腔混凝土偏压承载力，N2为第二腔混凝土偏压承载力，N3为多边形钢管偏压承载力。
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103015632A (zh) * 2012-12-09 2013-04-03 中国矿业大学 一种波纹钢板约束混凝土组合柱及其制作方法
CN110276165A (zh) * 2019-07-11 2019-09-24 江南大学 一种波纹侧板-方钢管混凝土柱的轴向承载力的计算方法
WO2019242366A1 (zh) * 2018-06-22 2019-12-26 长沙理工大学 粘结退化影响下pc构件抗弯承载力计算方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103015632A (zh) * 2012-12-09 2013-04-03 中国矿业大学 一种波纹钢板约束混凝土组合柱及其制作方法
WO2019242366A1 (zh) * 2018-06-22 2019-12-26 长沙理工大学 粘结退化影响下pc构件抗弯承载力计算方法
CN110276165A (zh) * 2019-07-11 2019-09-24 江南大学 一种波纹侧板-方钢管混凝土柱的轴向承载力的计算方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
余文茂;曾志兴;林强;刘祥;: "钢板笼约束混凝土组合柱正截面偏心受压承载力分析" *
张玉芬 等: "内配螺旋箍筋 方钢管混凝土短柱轴压 极限承载力计算方法" *
武海鹏 等: "异形截面多腔钢管混凝土柱轴压承载 力计算方法研究" *

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