确定实腹式哑铃型钢管混凝土截面构件纯弯曲强度的方法

摘要

本发明公开了一种确定实腹式哑铃型钢管混凝土截面构件的纯弯曲强度的方法。该方法包括：根据构件的结构参数确定截面中心轴位置的特征值；根据截面中心轴位置的特征值，确定截面中心轴的具体位置；根据截面中心轴的具体位置，确定实腹式哑铃型钢管混凝土截面构件的纯弯曲强度。通过使用本发明所提供的方法，可以准确、有效地确定实腹式哑铃型钢管混凝土截面构件的纯弯曲强度。

说明书

技术领域

本发明涉及桥梁工程技术，特别涉及一种确定实腹式哑铃型钢管混凝土截面构件的纯弯曲强度的方法。

背景技术

目前，钢管混凝土结构在我国的铁路桥梁建设中已得到大量的应用。与普通的建筑结构相比，桥梁结构具有跨度大、承受活载的特点。现有技术中的铁路桥梁上的钢管混凝土结构基本为压弯构件，而纯弯曲强度、轴心抗压强度是计算此类构件强度的两个基础设计参数。

在现有技术的钢管混凝土结构中，实腹式哑铃型构件在拱桥设计中已经得到了广泛地使用。图1为现有技术中的实腹式哑铃型构件的截面示意图，如图1所示，现有技术中的实腹式哑铃型构件一般包括：上钢管、下钢管和连接上钢管和下钢管的腹板。其中，上钢管、下钢管的壁厚和钢管半径是相同的。例如，图1中所示的T为钢管的壁厚（即上、下钢管的壁厚），r为钢管半径（即上、下钢管的半径）；t为腹板的板厚（单位一般为米）； h为上钢管和下钢管之间的净距（单位一般为米）。

然而，在现有技术中，目前仅有单钢管混凝土构件的纯弯曲强度的计算方法，但是，由于实腹式哑铃型钢管混凝土截面构件与单钢管混凝土构件的结构相差较大，因此上述的方法不能适用于实腹式哑铃型钢管混凝土截面构件。由此可知，如何准确、有效地确定实腹式哑铃型钢管混凝土截面构件的纯弯曲强度，有着十分重要的意义。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种确定实腹式哑铃型钢管混凝土截面构件的纯弯曲强度的方法，从而可以准确、有效地确定实腹式哑铃型钢管混凝土截面构件的纯弯曲强度。

本发明的技术方案具体是这样实现的：

一种确定实腹式哑铃型钢管混凝土截面构件的纯弯曲强度的方法，该方法包括：

根据构件的结构参数确定截面中心轴位置的特征值；

根据截面中心轴位置的特征值，确定截面中心轴的具体位置；

根据截面中心轴的具体位置，确定实腹式哑铃型钢管混凝土截面构件的纯弯曲强度。

较佳的，确定截面中心轴位置的特征值的公式为：

h₁= A_s/2ξt-(r-0.5T)T/t

h₂=A_s/2ξt

其中，h₁为用于确定截面中心轴位置的第一特征值，h₂为用于确定截面中心轴位置的第二特征值；A_s为钢管的截面面积；ξ为钢管混凝土套箍系数；t为腹板的板厚；r为钢管半径；T为钢管的壁厚。

较佳的，所述根据截面中心轴位置的特征值，确定截面中心轴的具体位置包括：

当上下钢管间的净距h大于或等于所述第二特征值h₂时，所述截面中心轴位于腹板内。

较佳的，所述根据截面中心轴位置的特征值，确定截面中心轴的具体位置包括：

当上下钢管间的净距h小于所述第二特征值h₂时，所述截面中心轴位于上钢管内。

较佳的，所述根据截面中心轴的具体位置，确定实腹式哑铃型钢管混凝土截面构件的纯弯曲强度包括：

当所述截面中心轴位于腹板内时，计算得到截面中心轴与上钢管和下钢管的净距；

根据所述截面中心轴与上钢管和下钢管的净距，计算实腹式哑铃型钢管混凝土截面构件的纯弯曲强度。

较佳的，计算截面中心轴与上钢管和下钢管的净距的公式为：

h_c=0.5h-As/4ξt 

h_s=0.5h+As/4ξt 

其中，h_c为截面中心轴与上钢管的净距；h_s为截面中心轴与下钢管的净距；As为钢管的截面面积；ξ为钢管混凝土套箍系数；t为腹板的板厚。

较佳的，计算实腹式哑铃型钢管混凝土截面构件的纯弯曲强度的公式为：

M_U=(r+h_c)A_cf_c+[t(h_c²+h_s²)+(2r+h)A_s]f_s

其中，M_U为纯弯曲强度；A_c为上钢管内混凝土的截面面积；f_c为混凝土轴心抗压强度；f_s为钢材屈服强度。

较佳的，所述根据截面中心轴的具体位置，确定实腹式哑铃型钢管混凝土截面构件的纯弯曲强度包括：

当所述截面中心轴位于上钢管内时，根据所述截面中心轴的位置计算受拉圆弧半角x；

根据所述受拉圆弧半角x，计算实腹式哑铃型钢管混凝土截面构件的纯弯曲强度。

较佳的，计算受拉圆弧半角x的公式为：

A+Bx=sin(2x)

其中，

     

  

其中，A_c为上钢管内混凝土的截面面积；f_c为混凝土轴心抗压强度；f_s为钢材屈服强度。

较佳的，当h₁＜h＜h₂时，计算受拉圆弧半角x的公式为：

其中，A_c为上钢管内混凝土的截面面积；f_c为混凝土轴心抗压强度；f_s为钢材屈服强度。

较佳的，计算实腹式哑铃型钢管混凝土截面构件的纯弯曲强度的公式为：

M_U=A_s(r+h+f)f_s+2ht(0.5h+f)f_s+2x(r-0.5T)y₁Tf_s+2(π-x)(r-0.5T)Ty₂f_s+(A_c-A_f)yf_c

其中，

A_f=0.5(r-T)²(2x-sin(2x))         

      

         

   

其中，f为截面中心轴与上钢管受拉边缘的距离，A_f为上钢管内受拉部分混凝土的面积。

如上可见，通过使用本发明中的确定实腹式哑铃型钢管混凝土截面构件的纯弯曲强度的方法，可以准确、有效地确定实腹式哑铃型钢管混凝土截面构件的纯弯曲强度。另外，上述所使用的方法计算过程简单，实用性很强；而且，由于上述所使用的公式除了近似公式之外，其它均为理论解，当h＞h1时，公式可以简化，因此使用上述公式所得到的结果的精度完全可以满足结构设计要求。

附图说明

图1为现有技术中的实腹式哑铃型构件的截面示意图；

图2为本发明实施例中的确定实腹式哑铃型钢管混凝土截面构件的纯弯曲强度的方法的流程示意图。

图3为本发明实施例中截面中心轴的位置示意图一。

图4为本发明实施例中截面中心轴的位置示意图二。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

本实施例提供了一种确定实腹式哑铃型钢管混凝土截面构件的纯弯曲强度的方法，从而可以准确、有效地确定实腹式哑铃型钢管混凝土截面构件的纯弯曲强度。

图2为本发明实施例中的确定实腹式哑铃型钢管混凝土截面构件的纯弯曲强度的方法的流程示意图。如图2所示，本发明实施例中的确定实腹式哑铃型钢管混凝土截面构件的纯弯曲强度的方法主要包括：。

步骤21，根据构件的结构参数确定截面中心轴位置的特征值。

在本发明的技术方案中，上述步骤21可以有多种实现方式。

例如，较佳的，在本发明的具体实施例中，所述结构参数可以包括：钢管的截面面积、钢管混凝土套箍系数、腹板的板厚、钢管半径和钢管的壁厚。

例如，在本发明的较佳实施例中，可以使用如下所述的公式，根据构件的结构参数计算得到确定截面中心轴位置的特征值：

h₁= A_s/2ξt-(r-0.5T)T/t          （1）

h₂=A_s/2ξt                    （2）

其中，h₁为用于确定截面中心轴位置的第一特征值，h₂为用于确定截面中心轴位置的第二特征值；A_s为钢管的截面面积；ξ为钢管混凝土套箍系数；t为腹板的板厚（单位为米）；r为钢管半径；T为钢管的壁厚。

步骤22，根据截面中心轴位置的特征值，确定截面中心轴的具体位置。

在本发明的技术方案中，由于上下钢管间的净距h的取值是已知或可以测量得到的，因此在得到上述截面中心轴位置的特征值之后，即可根据截面中心轴位置的特征值，确定截面中心轴的具体位置。

例如，图3为本发明实施例中截面中心轴的位置示意图一，如图3所示，在本发明的较佳实施例中，当上下钢管间的净距h大于或等于所述第二特征值h₂时，所述截面中心轴必然位于腹板内。

再例如，图4为本发明实施例中截面中心轴的位置示意图二，如图4所示，在本发明的较佳实施例中，当上下钢管间的净距h小于所述第二特征值h₂时，所述截面中心轴必然位于上钢管内。

步骤23，根据截面中心轴的具体位置，确定实腹式哑铃型钢管混凝土截面构件的纯弯曲强度。

在本发明的技术方案中，如果确定了截面中心轴的具体位置，则可以根据截面中心轴的具体位置，确定实腹式哑铃型钢管混凝土截面构件的纯弯曲强度。

在本发明的技术方案中，上述步骤23可以有多种实现方式。

例如，在本发明的较佳实施例中，当所述截面中心轴位于腹板内（即h≥h₂，如图3所示）时，可先计算得到截面中心轴与上钢管和下钢管的净距，然后再根据截面中心轴与上钢管和下钢管的净距，计算实腹式哑铃型钢管混凝土截面构件的纯弯曲强度。

较佳的，在本发明的具体实施例中，可以通过如下所述的公式计算截面中心轴与上钢管和下钢管的净距：

h_c=0.5h-As/4ξt       （3）

h_s=0.5h+As/4ξt       （4）

其中，h_c为截面中心轴与上钢管（即受压钢管）的净距；h_s为截面中心轴与下钢管（即受拉钢管）的净距；As为钢管的截面面积；ξ为钢管混凝土套箍系数；t为腹板的板厚，如图3所示。

较佳的，在本发明的具体实施例中，可以通过如下所述的公式计算实腹式哑铃型钢管混凝土截面构件的纯弯曲强度：

M_U=(r+h_c)A_cf_c+[t(h_c²+h_s²)+(2r+h)A_s]f_s       （5）

其中，M_U为纯弯曲强度（即纯弯承载力）；A_c为上钢管内混凝土的截面面积；f_c为混凝土轴心抗压强度；f_s为钢材屈服强度。

再例如，在本发明的较佳实施例中，当所述截面中心轴位于上钢管内（即h＜h₂，如图4所示）时，可先根据所述截面中心轴的位置计算受拉圆弧半角x，然后再根据所述受拉圆弧半角x，计算实腹式哑铃型钢管混凝土截面构件的纯弯曲强度。

较佳的，在本发明的具体实施例中，可以通过如下所述的公式计算受拉圆弧半角x：

A+Bx=sin(2x)      （6）

其中，上式中：

           （7）

       （8）

较佳的，在本发明的具体实施例中，当h₁＜h＜h₂时，还可以通过如下所述的近似公式计算受拉圆弧半角x：

          （9）

较佳的，在本发明的具体实施例中，在计算受拉圆弧半角x之后，即可通过如下所述的公式计算实腹式哑铃型钢管混凝土截面构件的纯弯曲强度：

M_U=A_s(r+h+f)f_s+2ht(0.5h+f)f_s+2x(r-0.5T)y₁Tf_s+2(π-x)(r-0.5T)Ty₂f_s+(A_c-A_f)yf_c   （10）

其中，

A_f=0.5(r-T)²(2x-sin(2x))            （11）

        （12）

             （13）

     （14）

其中，f为截面中心轴与上钢管受拉边缘的距离，A_f为上钢管内受拉部分混凝土的面积。

综上可知，通过使用本发明中的确定实腹式哑铃型钢管混凝土截面构件的纯弯曲强度的方法，可以准确、有效地确定实腹式哑铃型钢管混凝土截面构件的纯弯曲强度。另外，上述所使用的方法计算过程简单，实用性很强；而且，由于上述所使用的公式除了近似公式之外，其它均为理论解，当h＞h₁时，公式可以简化，因此使用上述公式所得到的结果的精度完全可以满足结构设计要求。

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，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。