一种设计格构式钢骨混凝土柱的方法

摘要

本发明公开了一种设计格构式钢骨混凝土柱的方法，属于土木工程的结构设计领域。本发明提供了一种设计格构式钢骨混凝土柱的方法，使用此方法设计格构式钢骨混凝土柱时，仅需先通过公式和αfcBx+fylAl+fyAs‑f′yA′s‑f′yl(A′l+A″l)＝0计算得到格构式钢骨混凝土柱的抗弯承载力MLSRC，再根据计算得到的抗弯承载力MLSRC调整格构式钢骨混凝土柱的缀板尺寸、钢筋直径、柱截面尺寸或混凝土等级等的尺寸即可。

说明书

技术领域

本发明涉及一种设计格构式钢骨混凝土柱的方法，属于土木工程的结构设计领域。

背景技术

格构式钢骨混凝土柱是建筑物的竖向受力构件。如图1～2所示，格构式钢骨混凝土柱包含混凝土1，位于混凝土内部的钢筋骨架2，以及位于钢筋骨架内部的钢骨架3，钢筋骨架2为由纵筋4、箍筋5和拉筋8围成的方形钢筋骨架，钢骨架3包含四块L型钢6，相邻两块L型钢6之间连接有若干缀板7，使得四块L型钢6可围成一个上下敞口的立方体，拉筋8位于上下相邻两块缀板7之间，且拉筋8的两端与箍筋5相连。

格构式钢骨混凝土柱横截面转角处的L型钢抗弯承载力明显大于常规钢骨混凝土柱横截面中心处的型钢抗弯承载力；格构式钢骨混凝土柱的四根L型角钢由缀板焊接连接形成一个整体结构，同时提供抗剪和侧向约束；格构式钢骨混凝土柱的混凝土外壳有效地抑制了钢材的腐蚀，提高了耐火性，并且，格构式钢骨混凝土柱的混凝土外壳也防止了的L型钢的局部屈曲；另外，格构式钢骨混凝土柱将纵筋、箍筋及拉筋组成的钢筋骨架嵌入外层混凝土，用于防止外层混凝土剥落，有效增强了钢与混凝土的协同变形能力。因此，格构式钢骨混凝土柱在建筑领域的应用越来越广泛，根据实际应用场景对格构式钢骨混凝土柱进行施工和设计在建筑领域也越发重要。

对于混凝土柱而言，其承载力是施工和设计的基础。目前，混凝土柱承载力的获得方法主要有试验加载法、数值模拟法和公式计算法三种，其中，由于试验加载法的成本较高，并且，由于数值模拟法的过程较繁琐和复杂，十分耗费时间，因此，公式计算法在实际应用中更具优势。

现阶段，用于获得常规钢骨混凝土柱承载力的公式计算法已经较成熟。在公式计算法中，现有的针对常规钢骨混凝土柱的规范规程中的计算方法从理论上主要分为以下三种：

第一种，认为核心混凝土对抗弯构件的贡献主要体现在限制钢管壁的内陷，但其强度变化对构件抗弯承载力的影响不显著，故在计算中，可以考虑钢管塑性发展同时忽略核心混凝土的抗弯性能，以日本AIJ规程和美国AISC-LRFD规程为代表；

第二种，将钢管混凝土的承载力认为是钢管承载力及混凝土承载力的简单叠加，以欧洲EC4规程为代表；

第三种，考虑了核心混凝土的贡献并考虑钢与混凝土之间的组合作用，以GJB规程为代表。

但是，由于格构式钢骨混凝土柱的结构不同于简单的钢管混凝土，故上述针对常规钢骨混凝土柱的规范规程中的计算方法都不能准确地计算其承载力。因此，急需找到一种可准确计算格构式钢骨混凝土柱抗弯承载力的方法以设计格构式钢骨混凝土柱。

发明内容

[技术问题]

本发明要解决的技术问题是提供一种可准确计算格构式钢骨混凝土柱抗弯承载力的方法以设计格构式钢骨混凝土柱。

[技术方案]

为了解决上述问题，本发明提供了一种设计格构式钢骨混凝土柱的方法，所述方法包括以下步骤：

①根据公式

其中，x为格构式钢骨混凝土柱的压缩区高度；α为格构式钢骨混凝土柱的矩形应力块因子，α在计算时取值为1.0；A

②根据计算得到的格构式钢骨混凝土柱的抗弯承载力M

在本发明的一种实施方式中，所述格构式钢骨混凝土柱包含混凝土1，位于混凝土内部的钢筋骨架2，以及位于钢筋骨架内部的钢骨架3；所述钢筋骨架2为由纵筋4、箍筋5和拉筋8围成的方形钢筋骨架；所述钢骨架3包含四块L型钢6，相邻两块L型钢6之间连接有若干缀板7，使得四块L型钢6可围成一个上下敞口的立方体。

在本发明的一种实施方式中，所述拉筋8位于上下相邻两块缀板7之间，且所述拉筋8的两端与箍筋5相连。

在本发明的一种实施方式中，所述拉筋8垂直或平行于缀板7。

在本发明的一种实施方式中，上下相邻两个拉筋8之间互相垂直。

在本发明的一种实施方式中，所述纵筋4有八根，其中四根纵筋4分别位于钢筋骨架2的四角，其余四根纵筋4分别位于钢筋骨架2的四条边的中点。

在本发明的一种实施方式中，所述拉筋8连接于箍筋5和位于钢筋骨架2的四条边的中点的纵筋4的相交处。

在本发明的一种实施方式中，所述缀板7为直钢板。

在本发明的一种实施方式中，所述混凝土1为C35混凝土。

本发明还提供了上述方法在设计格构式钢骨混凝土柱中的应用。

[有益效果]

本发明提供了一种设计格构式钢骨混凝土柱的方法，使用此方法设计格构式钢骨混凝土柱时，仅需先通过公式

附图说明

图1：格构式钢骨混凝土柱的横截面示意图。

图2：格构式钢骨混凝土柱的结构示意图。

图3：试件加载期间挠度的监测位点。

图4：试件变形情况的测量位点。

图5：格构式钢骨混凝土柱的受力状态示意图。

图6：格构式钢骨混凝土柱和钢管混凝土柱的结构示意图。

图1～2中，混凝土1、钢筋骨架2、钢骨架3、纵筋4、箍筋5、L型钢6、缀板7、拉筋8。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

下述实施例中设计的检测方法如下：

抗弯承载力的检测方法：采用四点弯曲试验，试验中采用位移控制模式，从试验开始到峰值点后破坏的加载增量为4mm。每个加载步骤结束后，维持荷载5分钟，观察并记录覆盖层混凝土裂缝情况。所有试件均在装置上严格对齐，荷载通过分布梁传递到两个加载点，分布梁在试件中心构成一个长度为l

实施例1：一种设计格构式钢骨混凝土柱的方法

格构式混凝土柱可被视为内部的核心混凝土和外部的钢筋混凝土的叠加，由于缀板的约束，核心混凝土的强度得到了提高，但从试验结果看，由于压缩区域有限，核心混凝土强度的提高受到限制，导致弯矩贡献较小。为简化计算模型，做出一些简单合理的假设如下：

1.忽略受压区混凝土的约束效应，不考虑受拉区混凝土的强度。

2.未考虑钢-混凝土相互作用的影响。

3.将位于受压区的L型钢和纵筋部分视为受压屈服，将位于受拉区的其余L型钢和纵筋视为受拉屈服。

基于上述假设，获得一种设计格构式钢骨混凝土柱的方法，包括以下步骤：

一种设计格构式钢骨混凝土柱的方法，所述方法包括以下步骤：

①根据公式

其中，如图2所示，x为格构式钢骨混凝土柱的压缩区高度；α为格构式钢骨混凝土柱的矩形应力块因子，α在计算时取值为1.0；A

②根据计算得到的格构式钢骨混凝土柱的抗弯承载力M

实施例2：一种设计格构式钢骨混凝土柱的方法的应用

使用四点弯曲试验、实施例1的方法以及Abaqus程序(有限元模拟)分别进行抗弯承载力M

其中，如图1～2、6所示，格构式钢骨混凝土柱包含混凝土1，位于混凝土内部的钢筋骨架2，以及位于钢筋骨架内部的钢骨架3；钢筋骨架2为由纵筋4、箍筋5和拉筋8围成的方形钢筋骨架；钢骨架3包含四块L型钢6，相邻两块L型钢6之间连接有若干缀板7，使得四块L型钢6可围成一个上下敞口的立方体；拉筋8位于上下相邻两块缀板7之间，且所述拉筋8的两端与箍筋5相连；拉筋8垂直或平行于缀板7；上下相邻两个拉筋8之间互相垂直；纵筋4有八根，其中四根纵筋4分别位于钢筋骨架2的四角，其余四根纵筋4分别位于钢筋骨架2的四条边的中点；拉筋8连接于箍筋5和位于钢筋骨架2的四条边的中点的纵筋4的相交处；缀板7为直钢板；混凝土1为C35混凝土；

如图6所示，钢管混凝土柱包含混凝土，以及位于混凝土内部的钢骨架；钢骨架为由四根钢管和四块钢板围成的方形钢骨架；混凝土为C35混凝土；

格构式钢骨混凝土柱和钢管混凝土柱均受轴压作用，编号分别为S1、S2、S3、S3，柱高均为3630mm，截面尺寸均为300mm×300mm，具体参数见表1。

计算结果如下(具体可见表2)：

格构式钢骨混凝土柱的混凝土为C35混凝土，实测立方体抗压强度平均值为26.9Mpa，换算得混凝土轴心抗压强度21.3Mpa；型钢及钢筋均采用低碳钢，实测屈服强度标准值分别为357Mpa、318MPa；L型钢截面尺寸为L-70×70×5，横截面面积为675mm

使用四点弯曲试验检测得到的格构式钢骨混凝土柱在弯矩作用下的极限承载力试验值为183kN·m，用Abaqus程序(有限元模拟)计算出的格构式钢骨混凝土柱在弯矩作用下的极限承载力模拟值为182.7kN·m，说明大型仿真程序Abaqus的结果是可靠的；使用实施例1的方法计算得到的格构式钢骨混凝土柱的抗弯承载力M

使用四点弯曲试验检测得到的钢管混凝土柱在弯矩作用下的极限抗弯承载力试验值为211kN·m。

表1格构式钢骨混凝土柱和钢管混凝土柱的具体参数

注：横向钢筋是指箍筋和拉筋。

实施例2～实施例4

实施例2～实施例4仅改变了混凝土强度等级，其余数据和实施例1一致，用实施例1的方法和Abaqus有限元软件计算出的抗弯承载力M

实施例5～实施例7

实施例5～实施例7仅改变了钢材强度，其余数据和实施例1一致，用实施例1的方法和Abaqus有限元软件计算出的抗弯承载力M

实施例8～实施例10

实施例8～实施例10仅改变了钢筋截面面积，其余数据和实施例1一致，用实施例1的方法和Abaqus有限元软件计算出的抗弯承载力M

实施例11～实施例13

实施例11～实施例13仅改变了钢骨厚度，其余数据和实施例1一致，用实施例1的方法和Abaqus有限元软件计算出的抗弯承载力M

实施例14～实施例16

实施例14～实施例16仅改变了L型钢肢长，其余数据和实施例1一致，用实施例1的方法和Abaqus有限元软件计算出的抗弯承载力M

实施例17～实施例19

实施例17～实施例19仅改变了缀板间距，其余数据和实施例1一致，用实施例1的方法和Abaqus有限元软件计算出的抗弯承载力M

如表2所示，使用实施例1的方法计算得到的格构式钢骨混凝土柱的抗弯承载力与Abaqus有限元软件的模拟结果一致，其中，M

表1用实施例1的方法和Abaqus有限元软件计算得到的抗弯承载力M

注：M

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。