一种计算外包波纹侧板混凝土组合梁的抗弯刚度方法技术

本发明专利技术公开了一种计算外包波纹侧板‑混凝土组合梁抗弯刚度的方法，通过本发明专利技术方法能够快速地计算得到外包波纹侧板‑混凝土组合梁抗弯刚度。先获取外包波纹侧板‑混凝土组合梁的钢顶板和底板的厚度和宽度、波纹侧板的波高、梁截面高度和宽度、混凝土楼板的高度和宽度、混凝土和钢材的弹性模量；再按弹性分析，波纹钢板内混凝土的有效截面宽度取波纹钢板的波峰处宽度与波谷处宽度的平均值；采用换算截面法，将组合梁截面换算成钢梁截面进行计算组合梁等效截面中和轴；组合梁弹性中和轴通过换算，得到钢梁截面的形心，计算钢梁截面的形心距截面最顶端的距离x，混凝土与钢构件分别对中和轴取矩，用取矩所得结果计算抗弯刚度。

【技术实现步骤摘要】
一种计算外包波纹侧板混凝土组合梁的抗弯刚度方法
本专利技术涉及一种计算外包波纹侧板-混凝土组合梁的抗弯刚度方法，属于组合梁结构

技术介绍
随着时代的进步，经济的发展，普通的钢筋混凝土梁已无法满足高层结构与大跨度结构设计的要求，组合结构因此受到大家的关注，并且不断运用于现代的建筑设计中。钢-混凝土组合梁虽然具有明显的应用优势，但本身受力还存在不少问题，比如混凝土与型钢之间的滑移、混凝土纵向抗剪能力不足等。为改进普通组合梁的不足，外包钢-混凝土组合梁应运而生。外包钢-混凝土组合梁是指将钢板焊接或冷弯成U型，并在内部填充混凝土的一种新型组合梁形式，不仅具有更高的承载力、刚度和延性，而且U型钢能直接作为混凝土浇筑的模板，减少了施工工序。外包波纹侧板-混凝土组合梁的立体结构如图1所示，由U型钢梁和混凝土组成，U型钢梁采用六块波纹钢腹板、一块底部钢板和两块顶部钢板拼焊而成，相邻两块波纹腹板焊接在次梁连接板上以形成U型钢梁的腹板，顶部钢板上焊接槽钢作为抗剪连接件。此外，在U型钢梁内部填充混凝土，并利用后张法张拉预应力钢绞线，用以增强梁的抗弯能力。新型组合梁用波纹钢腹板代替原先的直钢腹板，能有效增加U型钢梁与混凝土的接触面积，能明显减少U型钢梁与混凝土之间的滑移，使两者协同工作。且经之前的研究发现外包钢-混凝土组合梁的抗剪承载力主要由腹板承担，外包波纹侧板混凝土组合梁采取竖放波纹腹板，与普通直钢板相比能明显提高组合梁的抗剪能力。且可在剪力较大的支座附近采用较厚的的波纹腹板，保证结构可靠。外包波纹侧板-混凝土组合梁的结构剖面图如图2所示，其中bf、hf为楼板的宽度和高度，tu、td分别为钢顶板和底板的厚度，bu、bd分别为钢顶板和底板的宽度，hr为波纹侧板的波高，h、b为梁截面高度和宽度，Ec、Ea分别为混凝土和钢材的弹性模量。准确计算出外包波纹侧板混凝土组合梁的初始抗弯刚度，对控制梁的挠度和裂缝至关重要。截面抗弯刚度可以运用换算截面法将组合梁截面以刚度等效的原则换算成钢梁截面，然后计算截面惯性矩与抗弯刚度。《组合结构设计规范》以及清华大学聂建国教授均采用了考虑滑移效应的折减刚度法对计算得到的刚度进行折减，以此考虑滑移效应等不利因素，但是对于外包波纹侧板混凝土组合梁而言，几乎不发生滑移，且采用折减刚度法的计算公式偏于复杂，因此有必要寻求新的计算方法来计算外包波纹侧板混凝土组合梁的抗弯刚度。
技术实现思路
本专利技术提供一种计算外包波纹侧板-混凝土组合梁抗弯刚度的方法，通过本专利技术方法能够快速地计算得到外包波纹侧板-混凝土组合梁抗弯刚度。本专利技术计算得到的数值准确，且方法简单快捷，具有良好的应用前景。技术方案如下步骤：包括如下步骤：S1，获取外包波纹侧板-混凝土组合梁的钢顶板的厚度tu和宽度td；获取波纹侧板的波高hr、梁截面高度h和宽度b、获取外包波纹侧板-混凝土组合梁的楼板的宽度bf和高度hf，获取混凝土的弹性模量Ec和钢材的弹性模量Ea；S2，计算波纹钢板的波峰处宽度与波谷处宽度的平均值，以平均值作为波纹钢板内混凝土的有效截面宽度；S3，根据波纹钢板内混凝土的有效截面宽度，采用换算截面法将组合梁截面换算成钢梁截面；计算组合梁等效截面中和轴；根据组合梁等效截面中和轴换算组合梁弹性中和轴，得到钢梁截面的形心，钢梁截面的形心距截面最顶端的距离x的计算公式如下：dE为钢材与混凝土弹性模量的比值；bf、hf为楼板的宽度和高度，tu、td分别为钢顶板和底板的厚度，bu、bd分别为钢顶板和底板的宽度，hr为波纹侧板的波高，h、b为梁截面高度和宽度，Ec、Ea分别为混凝土和钢材的弹性模量；S4，混凝土与钢构件分别对中和轴取矩，取矩公式如下：Ic为按截面尺寸计算的混凝土截面惯性矩(mm4)；Ia为钢构件的截面惯性矩(mm4)。S5，组合梁截面的抗弯刚度按如下公式计算：Bs＝0.45EcIc+EaIa(无预应力组合梁)；Bs＝0.9EcIc+EaIa(有预应力组合梁)；Ec为混凝土的弹性模量(N/mm2)；Ea为钢构件的弹性模量(N/mm2)。进一步地，S3中，组合梁全截面为理想线弹性材料，并且混凝土与钢构件能够完全共同工作，截面只存在一个弹性中和轴，且该截面符合平截面假定。进一步地，所述混凝土为C40、C45、C50、C55、C60中的任一种。进一步地，所述钢材为Q345、Q390、Q420、Q460中的任一种。进一步地，还包括验算过程，验算过程为：通过外包波纹侧板-混凝土组合梁静力试验测得挠度，通过下述Bs公式计算出抗弯刚度，该抗弯刚度即试验值，将权利要求1中S5所求得的Bs与试验值进行比较，两者相差越小，S5所求得的Bs准确度越高；外包波纹侧板-混凝土组合梁的抗弯刚度Bs按如下公式计算：本专利技术的优点和效果：(1)本专利技术通过计算得到外包波纹侧板-混凝土组合梁的抗弯刚度，根据此数据指导能够控制外包波纹侧板-混凝土组合梁的挠度和裂缝宽度，无需对其进行繁琐复杂的模拟计算过程，且本专利技术方法中计算得到的抗弯刚度与试验值相符，误差在15％以内，准确度高，具有较好的应用前景。与折减刚度法相比，本专利技术在换算截面、求出换算的中和轴后，仅需要简单叠加即可得到预期结果，而折减刚度法要计算的系数多，因此本专利技术的具有略去系数计算、过程简化的优势。同时，本专利技术在简化计算过程的基础上，仍能保证结果的准确性，而其他两种计算方法不仅计算过程复杂，而且没有进行验算，准确率难以保障。(2)本专利技术方法方便快捷，仅需要外包波纹侧板-混凝土组合梁的相关尺寸和材质等信息即可计算得到外包波纹侧板-混凝土组合梁的抗弯刚度，解决防止出现外包波纹侧板-混凝土组合梁挠度和裂缝宽度过大的问题，大大节约了工程师的时间成本。无需要大量的试验和数值模拟。附图说明图1为本专利技术外包波纹侧板-混凝土组合梁的立体结构图。图2为本专利技术外包波纹侧板-混凝土组合梁的剖面结构示意图。图3为本专利技术外包波纹侧板-混凝土组合梁的有效截面示意图。图4为本专利技术加载装置及位移计安装位置图。图5为本专利技术实施例1具体尺寸示意图。图6为本专利技术实施例1三分点加载计算简图。图中：1、上翼缘钢板；2、下翼缘钢板；3、槽钢；4、波纹板。具体实施方式下述实施例中涉及的检测方法如下：外包波纹侧板-混凝土组合梁抗剪承载力检测方法：采用静力加载试验，梁端采用平面铰连接方式，初期采用荷载控制加载方式，预加载200kN，检查加载设备及各测点工作情况，确定组合梁受载状态是否正常，之后每级加载50kN，每级持荷不少于1min。极限荷载之后采用位移控制进行逐级加载，每级增量1mm，当试件波纹侧板出现明显鼓曲变形时改为缓慢连续加载，直至试件破坏时停止加载。试验中组合梁共布置9个位移传感器来测量试件的位移，变形等，其中编号为L1、L2、L3的位移计用来测量试件跨中与加载点处的挠度，位移计L4、L5用来测本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种计算外包波纹侧板混凝土组合梁的抗弯刚度方法，其特征在于，包括如下步骤：/nS1，获取外包波纹侧板-混凝土组合梁的钢顶板的厚度t

【技术特征摘要】
1.一种计算外包波纹侧板混凝土组合梁的抗弯刚度方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，获取外包波纹侧板-混凝土组合梁的钢顶板的厚度tu和宽度td；获取波纹侧板的波高hr、梁截面高度h和宽度b、获取外包波纹侧板-混凝土组合梁的楼板的宽度bf和高度hf，获取混凝土的弹性模量Ec和钢材的弹性模量Ea；
S2，计算波纹钢板的波峰处宽度与波谷处宽度的平均值，以平均值作为波纹钢板内混凝土的有效截面宽度；
S3，根据波纹钢板内混凝土的有效截面宽度，采用换算截面法将组合梁截面换算成钢梁截面；计算组合梁等效截面中和轴；根据组合梁等效截面中和轴换算组合梁弹性中和轴，得到钢梁截面的形心，钢梁截面的形心距截面最顶端的距离x的计算公式如下：



αE为钢材与混凝土弹性模量的比值；bf、hf为楼板的宽度和高度，tu、td分别为钢顶板和底板的厚度，bu、bd分别为钢顶板和底板的宽度，hr为波纹侧板的波高，h、b为梁截面高度和宽度，Ec、Ea分别为混凝土和钢材的弹性模量；
S4，混凝土与钢构件分别对中和轴取矩，取矩公式如下：






Ic为按截面尺寸计算的混凝土截面惯性矩(mm4)；Ia为钢构件的截面惯性矩(mm4)。
S5，组合梁截面的抗弯刚度按如下公式计算：

【专利技术属性】
技术研发人员：邹昀，谢梦洁，王城泉，陈明，吴艺超，曹岚，
申请(专利权)人：江南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32