设计带有波纹钢板的方形截面多腔体钢管混凝土柱的方法

摘要

本发明公开了设计带有波纹钢板的方形截面多腔体钢管混凝土柱的方法，属于土木工程的结构设计领域。本发明提供了设计带有波纹钢板的方形截面多腔体钢管混凝土柱的方法，使用此方法设计多腔体钢管混凝土柱时，仅需先通过公式计算得到多腔体钢管混凝土柱的轴向承载力，再根据计算得到的轴向承载力调整方钢管、波纹钢板的尺寸即可。

说明书

技术领域

本发明涉及设计带有波纹钢板的方形截面多腔体钢管混凝土柱的方法，属于土木工程的结构设计领域。

背景技术

钢管混凝土柱因具有承载力高、抗震性能好、施工性能好、施工方便等优势在建筑行业得到广泛应用。在普通钢管混凝土柱中，当钢管宽厚比较大时，钢管易发生局部屈曲，从而降低了钢管对混凝土的约束效果。基于此，国内外学者为提高钢管对混凝土的侧向约束，提出了钢管约束混凝土柱，其中，钢管以环向受力为主，纵向几乎不承担轴力，更利于其对混凝土的侧向约束。相

比直钢板，波纹钢板平面外刚度较大，对混凝土的约束作用更强，构件承载力更易于达到1+1>2的效果。为保证密闭性，将波纹钢板与四角方钢管焊接在一起，并在骨架中浇筑混凝土，这样就构成带有波纹钢板的方形截面多腔体钢管混凝土柱(带有波纹钢板的方形截面多腔体钢管混凝土柱的结构如图1所示)。

在带有波纹钢板的方形截面多腔体钢管混凝土柱中，波纹钢板侧向刚度大，既可以作为核心混凝土提供充足的侧向约束，又可以对方钢管提供侧向支撑，从而增强对混凝土的约束效果。因此，带有波纹钢板的方形截面多腔体钢管混凝土柱的性能较常规钢管混凝土柱有明显的提升，带有波纹钢板的方形截面多腔体钢管混凝土柱在建筑领域的应用也越来越广泛，根据实际应用场景对带有波纹钢板的方形截面多腔体钢管混凝土柱进行施工和设计在建筑领域也越来越重要。

对于钢管混凝土柱而言，其轴向承载力是施工和设计的基础。目前，钢管混凝土柱轴向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。但是，现阶段并没有针对带有波纹钢板的方形截面多腔体钢管混凝土柱轴向承载力的公式计算法，这大大限制了带有波纹钢板的方形截面多腔体钢管混凝土柱在实际场景中的应用。

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带有波纹钢板的方形截面多腔体钢管混凝土柱轴向承载力的方法以设计带有波纹钢板的方形截面多腔体钢管混凝土柱。

[技术方案]

为了解决上述问题，本发明提供了设计带有波纹钢板的方形截面多腔体钢管混凝土柱的方法，所述方法包括以下步骤：

①根据公式N

其中，k

②根据计算得到的带有波纹钢板的方形截面多腔体钢管混凝土柱的轴向承载力，当计算得到的带有波纹钢板的方形截面多腔体钢管混凝土柱的轴向承载力不超过带有波纹钢板的方形截面多腔体钢管混凝土柱的轴向极限承载力N

在本发明的一种实施方式中，所述带有波纹钢板的方形截面多腔体钢管混凝土柱包含混凝土，以及位于混凝土内部的钢骨架；所述钢骨架为由四根方钢管和四块波纹钢板围成的闭合钢骨架。

在本发明的一种实施方式中，所述波纹钢板的板身可将与其相连的方钢管等分为两份。

在本发明的一种实施方式中，所述混凝土立方体的抗压强度为C30～C50。

在本发明的一种实施方式中，所述方钢管的屈服强度为Q235～Q420。

在本发明的一种实施方式中，所述方钢管的壁厚为1～3mm。

在本发明的一种实施方式中，所述波纹钢板的壁厚为1～3mm。

在本发明的一种实施方式中，所述方钢管截面宽度与柱截面宽度的比值为0.13～0.435。

在本发明的一种实施方式中，所述计算得到的带有波纹钢板的方形截面多腔体钢管混凝土柱的轴向承载力不超过0.95N

本发明还提供了上述方法在设计多腔体钢管混凝土柱中的应用。

[有益效果]

本发明提供了设计带有波纹钢板的方形截面多腔体钢管混凝土柱的方法，使用此方法设计多腔体钢管混凝土柱时，仅需先通过公式计算得到多腔体钢管混凝土柱的轴向承载力，再根据计算得到的轴向承载力调整方钢管、波纹钢板的尺寸即可。

附图说明

图1：带有波纹钢板的方形截面多腔体钢管混凝土柱的结构示意图。

图2：使用静力加载试验、实施例1的方法以及Abaqus程序(有限元模拟)计算得到的轴向承载力的对比结果。

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：

轴向承载力的检测方法(采用静力加载试验)：柱头和柱脚均采用平面铰连接方式。试验采用分级加载，弹性范围内采用荷载控制加载，每级荷载预计峰值荷载的1/10，每级荷载持续2min左右，当构件进入弹塑性阶段时改用位移加载，每级加载2mm，接近峰值荷载时采用慢速位移控制连续加载方式，直至构件破坏停止加载。在柱端的对顶角布置两个位移计，来测定柱的纵向位移，同时在柱中截面布置纵向及横向应变片，以测量波纹钢板波峰及钢管的纵向和横向应变值。

轴向承载力的检测方法(采用有限元模拟)：利用有限元ABAQUS，其模拟值能够准确的模拟实验数值，是本领域技术人员常用的模拟计算方法；

下述实施例中所用ABAQUS的步骤如下：

1.创建部件：混凝土、波纹钢板、方钢管均采用实体单元C3D8R；

2.设置材料和截面特性：输入混凝土的塑性损伤模型、弹模、泊松比、应力-应变关系；钢材的弹模、泊松比、屈服强度；

3.定义装配件：将部件按指定位置组装在一起；

4.设定分析步和需要输出的变量：创建一个分析步用于位移加载；

5.施加荷载和边界条件：将波纹钢板与方钢管构成的骨架同混凝土之间采用contact模拟，法向采用硬接触，切向采用库伦摩擦模型；采用位移加载的方式；

6.划分网格：根据不同的计算精度对各部位划分网格；网格的密度大小主要影响计算的精度和时间；

7.提交作业：创立一个工作名称开始模拟计算；

8.结果后处理：计算完成后可以通过后处理提取荷载-位移曲线。

实施例1：设计带有波纹钢板的方形截面多腔体钢管混凝土柱的方法

不考虑波纹钢板提供的竖向荷载，构件的承载力是由波纹刚板内内净截面混凝土、方钢管内混凝土及方钢管三部分组成；在此基础上，分别考虑方钢管及波纹钢板对混凝土的约束作用，故在各部分承载力叠加的基础上引进了混凝土抗压强度提高系数k

①根据公式N

其中，k

②根据计算得到的带有波纹钢板的方形截面多腔体钢管混凝土柱的轴向承载力，当计算得到的带有波纹钢板的方形截面多腔体钢管混凝土柱的轴向承载力不超过带有波纹钢板的方形截面多腔体钢管混凝土柱的轴向极限承载力N

实施例2：设计带有波纹钢板的方形截面多腔体钢管混凝土柱的方法的应用

使用静力加载试验、实施例1的方法以及Abaqus程序(有限元模拟)分别进行轴向承载力的计算，轴向承载力计算的对象实验为带有波纹钢板的方形截面多腔体钢管混凝土柱；

其中，如图1所示，带有波纹钢板的方形截面多腔体钢管混凝土柱包含混凝土，以及位于混凝土内部的钢骨架；钢骨架为由四根方钢管和四块波纹钢板围成的闭合钢骨架；波纹钢板的板身可将与其相连的方钢管等分为两份；混凝土采用C40混凝土；方钢管采用2mm厚的Q345钢材；波纹钢板采用2mm厚的Q235钢材；方钢管截面宽度为40mm；波纹钢板截面宽度为150mm；柱的截面宽度为230mm，柱长为700mm。

计算结果如下(具体可见表1和图2)：

使用静力加载试验检测得到的带有波纹钢板的方形截面多腔体钢管混凝土柱在轴压作用下的极限承载力试验值为2212kN，用Abaqus程序(有限元模拟)计算出的带有波纹钢板的方形截面多腔体钢管混凝土柱在轴压作用下的极限承载力模拟值为2151kN，说明大型仿真程序Abaqus的结果是可靠的；使用实施例1的方法计算得到的带有波纹钢板的方形截面多腔体钢管混凝土柱的轴向承载力为2147kN，与使用静力加载试验和Abaqus程序(有限元模拟)计算得到的结果相差不大，误差仅为3％和2.8％。可见，按照实施例1的方法能够准确获得带有波纹钢板的方形截面多腔体钢管混凝土柱的轴向承载力。

实施例3：设计带有波纹钢板的方形截面多腔体钢管混凝土柱的方法的应用

实施例3仅将方钢管截面宽度改为了50mm，并且，将波纹钢板的截面宽度改为了130mm，其余数据和实施例1一致。

计算结果如下(具体可见表1和图2)：

使用静力加载试验检测得到的带有波纹钢板的方形截面多腔体钢管混凝土柱在轴压作用下的极限承载力试验值为2399kN，用Abaqus程序(有限元模拟)计算出的带有波纹钢板的方形截面多腔体钢管混凝土柱在轴压作用下的极限承载力模拟值为2317kN，说明大型仿真程序Abaqus的结果是可靠的；使用实施例1的方法计算得到的带有波纹钢板的方形截面多腔体钢管混凝土柱的轴向承载力为2306kN，与使用静力加载试验和Abaqus程序(有限元模拟)计算得到的结果相差不大，误差仅为3.9％和3.4％。可见，按照实施例1的方法能够准确获得带有波纹钢板的方形截面多腔体钢管混凝土柱的轴向承载力。

实施例4：设计带有波纹钢板的方形截面多腔体钢管混凝土柱的方法的应用

实施例4仅将方钢管截面宽度改为了60mm，并且，将波纹钢板的截面宽度改为了110mm，其余数据和实施例1一致。

计算结果如下(具体可见表1和图2)：

使用静力加载试验检测得到的带有波纹钢板的方形截面多腔体钢管混凝土柱在轴压作用下的极限承载力试验值为2573kN，用Abaqus程序(有限元模拟)计算出的带有波纹钢板的方形截面多腔体钢管混凝土柱在轴压作用下的极限承载力模拟值为2468kN，说明大型仿真程序Abaqus的结果是可靠的；使用实施例1的方法计算得到的带有波纹钢板的方形截面多腔体钢管混凝土柱的轴向承载力为2473kN，与使用静力加载试验和Abaqus程序(有限元模拟)计算得到的结果相差不大，误差仅为3.9％和4.1％。可见，按照实施例1的方法能够准确获得带有波纹钢板的方形截面多腔体钢管混凝土柱的轴向承载力。

表1用实施例1的方法和静力加载试验计算得到的轴向承载力的比较

注：N

实施例5～实施例9

实施例5～实施例9将方钢管屈服强度改为Q235，将混凝土抗压强度改为C30～C50，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轴向承载力如表2和图2所示。

实施例10～实施例12

实施例10～实施例12将混凝土强度改为C30，将方钢管屈服强度改为Q345～Q420，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轴向承载力如表2和图2所示。

实施例13～实施例15

实施例13～实施例15将混凝土强度改为C30，将方钢管屈服强度改为Q235，将波纹钢板屈服强度改为Q345～Q420，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轴向承载力如表2和图2所示。

实施例16～实施例17

实施例16～实施例17将混凝土强度改为C30，将方钢管屈服强度改为Q235，将方钢管壁厚改为1～3mm，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轴向承载力如表2和图2所示。

实施例18～实施例19

实施例18～实施例19将混凝土强度改为C30，将方钢管屈服强度改为Q235，将波纹钢板壁厚改为1～3mm，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轴向承载力如表2和图2所示。

实施例20～实施例26

实施例20～实施例26将混凝土强度改为C30，将方钢管屈服强度改为Q235，将方钢管截面宽度与柱截面宽度的比值改为0.13～0.435，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轴向承载力如表2和图2所示。

如表2和图2所示，使用实施例1的方法计算得到的带有波纹钢板的方形截面多腔体钢管混凝土柱的轴向承载力与Abaqus有限元软件的模拟结果一致，可见，实施例1的方法能够计算得到准确的带有波纹钢板的方形截面多腔体钢管混凝土柱的轴向承载力，为施工或设计过程中防止带有波纹钢板的方形截面多腔体钢管混凝土柱过载提供了一种简便且准确度高的方法，节省了大量的时间成本，无需复杂的计算或者试验，即可实现此目的。

表2用实施例1的方法和Abaqus有限元软件计算得到的轴向承载力的比较

注：N

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。