一种钢与混凝土组合结构中钢混界面时变滑移计算方法技术

本发明专利技术涉及一种钢与混凝土组合结构中钢混界面时变滑移计算方法，包括将钢混界面上的剪力连接件简化为X向、Y向和Z向三个方向互为正交的弹簧单元，构成三个所述弹簧单元的一端节点

【技术实现步骤摘要】
一种钢与混凝土组合结构中钢混界面时变滑移计算方法
本专利技术涉及一种界面时变滑移计算方法，尤其涉及一种钢与混凝土组合结构中钢混界面时变滑移计算方法。
技术介绍
钢结构与混凝土结构通过在钢混界面设置一定数量的剪力连接件(如焊钉、开孔钢板、型钢等)结合在一起，构成钢与混凝土组合结构。在外荷载作用下，钢与混凝土界面由于剪力连接件的变形而出现相对滑移。混凝土的徐变特性使连接件出现剪力不变而变形增加的时变特性，钢混界面出现时变相对滑移。连接件的刚度时变特性使钢与混凝土的组合作用减弱，对组合结构的变形、连接件的剪力分布以及钢与混凝土的应力重分布有影响。组合结构工程设计时，认为钢结构与混凝土结构完全组合，不考虑两者界面上的时变相对滑移，组合结构的长期挠度值通过将短期挠度值乘以放大系数得到。该方法预测组合结构长期受力及变形的精度较低，不利于组合结构的安全及耐久性设计。电算方面，目前商业有限元软件除缺乏钢与混凝土界面的时变滑移本构模型外，还缺少能模拟界面时变滑移的分析技术，结构分析时不能准确考虑界面时变滑移的影响。
技术实现思路
本专利技术为了提高组合结构长期受力及变形的预测精度，提供了一种钢与混凝土组合结构中钢混界面时变滑移计算方法，以准确考虑钢与混凝土界面的时变相对滑移。本专利技术所采取的技术方案为：一种钢与混凝土组合结构中钢混界面时变滑移计算方法，包括将钢混界面上的剪力连接件简化为X向、Y向和Z向三个方向互为正交的弹簧单元，构成三个所述弹簧单元的一端节点i连接钢结构，另一端节点j连接混凝土结构，通过计算弹簧单元两节点间的时变相对变形得到钢混界面时变滑移值。进一步的，所述钢混界面上剪力荷载由X向及Y向的时变刚度弹簧单元分担，剪力连接件的轴向力由界面外Z向常刚度弹簧单元承担，钢混界面的时变滑移通过X向及Y向的弹簧单元两节点间的时变相对变形计算得到。进一步的，所述时变刚度弹簧单元在X向上两节点的时变相对变形通过以下方法获得：a计算X向时变刚度弹簧单元的刚度矩阵[Kx(t,τ)]；b根据X向时变刚度弹簧单元的刚度矩阵[Kx(t,τ)]和X向时变刚度弹簧单元的节点力—位移关系得到在节点i和节点j在加载龄期τ，计算龄期t的位移uix(t,τ)、ujx(t,τ)；c计算节点i和节点j的相对位移，具体为Δux(t,τ)＝uix(t,τ)-ujx(t,τ)。进一步的，所述X向时变刚度弹簧单元的刚度矩阵[Kx(t,τ)]具体为式中：Kx(t,τ)为X向弹簧单元刚度，τ为加载龄期，t为计算徐变的混凝土龄期。进一步的，所述X向弹簧单元刚度Kx(t,τ)的计算方法为：Kx(t,τ)＝f(K0,t,τ)式中其中ψc(t,τ)为混凝土的老化系数；为混凝土的徐变系数。进一步的，所述弹簧单元节点i和节点j在X向的时变相对变形计算方法与在Y向的时变相对变形计算方法相同。本专利技术所产生的有益效果包括：本专利技术的一种刚度时变的弹簧单元及其计算方法，为钢混组合结构长期效应分析时能准确考虑钢混界面时变滑移本构特性提供了分析技术。提高了组合结构长期受力及变形的预测精度，有利于组合结构的安全及耐久性设计。该方法的弹簧单元刚度矩阵随龄期增加而时刻变化，能准确考虑钢与混凝土界面相对滑移的时变特性。相比以往组合结构分析技术，本专利技术同时考虑钢混界面的时变相对滑移，焊钉根部混凝土的应力集中，以及混凝土构件的时变特性。附图说明图1为三向正交弹簧单元示意；图2为一维弹簧单元分析图式；图3为焊钉连接件的弹簧模型验证结果。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术做进一步详细的解释说明，但应当理解为本专利技术的保护范围并不受具体实施例的限制。为考虑钢与混凝土界面的时变滑移效应，组合结构有限元分析时，将钢混界面上的剪力连接件简化为三个方向互为正交的弹簧单元。如图1所示，构成三个弹簧单元的一端节点i连接钢结构，另一端节点j连接混凝土结构。钢混界面上(XY平面)的剪力荷载由X向及Y向的时变刚度弹簧单元分担，X向及Y向弹簧单元的时变剪切刚度分别为Kx(t,τ)和Ky(t,τ)。剪力连接件的轴向力由界面外Z向常刚度弹簧单元承担，其刚度为Kz。钢混界面的时变滑移通过X向及Y向的弹簧单元两节点间的时变相对变形来模拟。在钢混界面的剪切荷载作用下，时变刚度弹簧单元两节点间的相对变形由弹簧单元的节点力及刚度求得。如图2所示，以X向时变刚度弹簧单元为例，节点i和节点j在加载龄期τ，计算龄期t的荷载、位移分别为fix(t,τ)、fjx(t,τ)及uix(t,τ)、ujx(t,τ)，该弹簧单元在加载龄期τ，计算龄期t的刚度为Kx(t,τ)。依据有限单元法理论，得出X向时变刚度弹簧单元的节点力—位移关系为：式中：[Kx(t,τ)]为X向时变刚度弹簧单元在加载龄期τ，计算龄期t的刚度矩阵。式(1)中X向时变刚度弹簧单元的刚度矩阵[Kx(t,τ)]为：式中：X向弹簧单元刚度Kx(t,τ)随时间发展而变化，以表征剪力连接件剪切刚度的时变特性。τ为加载龄期，t为计算徐变的混凝土龄期，简称计算龄期。依据剪力连接件在长期加载过程中的剪力—滑移本构关系，定义X向弹簧单元的时变刚度函数Kx(t,τ)：Kx(t,τ)＝f(K0,t,τ)(3)式中：K0为剪力连接件在加载龄期τ的剪切刚度；f(K0,t,τ)为时变刚度Kx(t,τ)关于初期剪切刚度K0、加载龄期τ及计算龄期t的函数。将(3)代入(2)中得到[Kx(t,τ)]，然后代入式(1)中得到uix(t,τ)、ujx(t,τ)。以焊钉连接件为例，f(K0,t,τ)可采用如下形式：式中：ψc(t,τ)为混凝土的老化系数，依据试验结果确定，其值在0.5～1.0之间；为混凝土的徐变系数，采用设计规范推荐的徐变模型计算。计算出时变刚度弹簧单元两节点的位移解uix(t,τ)、ujx(t,τ)后，再求出两节点间的时变相对变形：Δux(t,τ)＝uix(t,τ)-ujx(t,τ)式中：Δux(t,τ)为加载龄期τ、计算龄期t的X向弹簧单元两节点间的时变相对变形。该方法的弹簧单元刚度矩阵随龄期增加而时刻变化，能准确考虑钢与混凝土界面相对滑移的时变特性。相比以往组合结构分析技术，本专利技术同时考虑钢混界面的时变相对滑移，焊钉根部混凝土的应力集中，以及混凝土构件的时变特性。上述以焊钉为例，f(K0,t,τ)的计算方法包括以下步骤：步骤a：如图1所示，将混凝土比拟为弹性地基，将焊钉比拟为放置在弹性地基上的梁，依据弹性地基梁理论推导焊钉连接件的时变剪切刚度。以焊钉根部截面形心为原点，沿钉身纵向指向顶帽为x轴正方向、沿竖向指向承压地基为y轴正方向，建立直角坐标系。焊钉根部在龄期t承受竖向集中剪力Q0(t,τ)，受钢梁翼缘板约束产生反力矩M0(t,τ)，以及混凝土地基沿钉身纵向分布的反力R(x,本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种钢与混凝土组合结构中钢混界面时变滑移计算方法，其特征在于：包括将钢混界面上的剪力连接件简化为X向、Y向和Z向三个方向互为正交的弹簧单元，构成三个所述弹簧单元的一端节点i连接钢结构，另一端节点j连接混凝土结构，通过计算弹簧单元两节点间的时变相对变形得到钢混界面时变滑移值。/n

【技术特征摘要】
1.一种钢与混凝土组合结构中钢混界面时变滑移计算方法，其特征在于：包括将钢混界面上的剪力连接件简化为X向、Y向和Z向三个方向互为正交的弹簧单元，构成三个所述弹簧单元的一端节点i连接钢结构，另一端节点j连接混凝土结构，通过计算弹簧单元两节点间的时变相对变形得到钢混界面时变滑移值。


2.根据权利要求1所述的钢与混凝土组合结构中钢混界面时变滑移计算方法，其特征在于：所述钢混界面上剪力荷载由X向及Y向的时变刚度弹簧单元分担，剪力连接件的轴向力由界面外Z向常刚度弹簧单元承担，钢混界面的时变滑移通过X向及Y向的弹簧单元两节点间的时变相对变形计算得到。


3.根据权利要求1或2所述的钢与混凝土组合结构中钢混界面时变滑移计算方法，其特征在于：时变刚度弹簧单元在X向上两节点的时变相对变形通过以下方法获得：
a计算X向时变刚度弹簧单元的刚度矩阵[Kx(t,τ)]；
b根据X向时变刚度弹簧单元的刚度矩阵[Kx(t,τ)]和X向时变刚度弹簧单元的节点力—位移关系得到在节点i和节点j在加载龄期τ，计算龄期t的位移uix(t,τ)、ujx(t,τ)；
c计算节点i和节点j的相对位移，具体为Δux(t,τ)＝uix(t,τ)...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘荣，叶恒达，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32