外套钢管夹层混凝土加固混凝土柱轴压承载力统一计算方法技术

本发明专利技术公开了一种外套钢管夹层混凝土加固混凝土柱轴压承载力统一计算方法，方法包括：S1.对不同截面形式的组合加固柱进行截面形状的统一转化，包括内部RC柱的转化及组合加固柱的转化；S2.建立组合加固柱各组成部分受力与变形关系；S3.计算组合加固柱极限承载力。本发明专利技术所提供的外套钢管夹层混凝土加固混凝土柱轴压承载力统一计算模型的优势在于可考虑到截面各组成部分的荷载不同步性对承载能力的影响。此外，本发明专利技术不仅适用于普通外套钢管夹层混凝土加固RC柱轴压承载力的计算，对于采用其他各向同性管材(管材种类如铝合金或其他材料)代替钢管进行加固的组合加固柱的轴压承载力计算也同样适用。承载力计算也同样适用。承载力计算也同样适用。

【技术实现步骤摘要】
外套钢管夹层混凝土加固混凝土柱轴压承载力统一计算方法


[0001]本专利技术涉及土木工程领域，具体涉及一种外套钢管夹层混凝土加固混凝土柱轴压承载力统一计算方法。

技术介绍

[0002]采用外套钢管夹层混凝土加固法对既有混凝土(RC)柱进行加固，可大幅度提高其承载力、刚度和延性。该法兼具传统增大截面加固法和外包(粘)钢加固法等的优点，并利用了钢管混凝土组合结构的优良受力特性，具有材料利用率高、占地面积小和加固效果显著等优点，同时加固施工也更简便。近年来，众多学者对该加固方法进行了大量研究，该技术在实际工程中亦有诸多应用，表现出了良好的使用前景。
[0003]然而，在已有研究中，对于外套方形截面钢管的组合加固柱，研究者在建立承载力计算公式时一般使用划分有效约束区域法或套用方钢管混凝土柱的承载力计算公式；对于外套圆形截面钢管的组合加固柱，在建立承载力计算公式时使用极限平衡法、规范公式法、叠加法、数值分析法和系数回归法等方法。由此可见，在组合加固柱承载力计算方面，对于不同的截面形式，各类研究所基于的原理及所使用的方法各异，而且常需要利用试验数据对计算模型中的某些系数进行回归，因而各类研究结果也相互孤立，不具有统一性和广泛的适应性。此外，组合加固柱截面由多种不同材料组成，而上述计算模型均默认组合加固柱截面各组成部分能同时达到各自极限承载力，无法考虑到各自峰值应力的不同步性对承载能力的影响。

技术实现思路

[0004]本专利技术是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种具有统一表达式的组合加固柱轴压承载力计算模型，即一种外套钢管夹层混凝土加固混凝土柱轴压承载力统一计算方法。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术提供一种外套钢管夹层混凝土加固混凝土柱轴压承载力统一计算方法，其特征在于：包括以下步骤：
[0006]S1：对不同截面形式的组合加固柱进行截面形状的统一转化，包括内部RC柱的转化及组合加固柱的转化。
[0007]实际工程中，外套钢管及内部RC柱的截面形式为方形或圆形，则外套钢管夹层混凝土加固RC柱共包含方套方、方套圆、圆套方和圆套圆四种截面形式。对于圆形截面组合加固柱，钢管对混凝土提供的约束力均匀，因此核心混凝土纵向应力分布也均匀。圆形截面还具有无限条对称轴，在进行截面分析时不会由于微元体所处位置不同而使得分析结果发生变化。基于上述原因，为从材料本构关系、截面各组成部分的变形协调和力的平衡条件为出发点求解截面承载力的统一计算模型，需要将不同截面工况的组合加固柱转化为圆套圆的截面形式。
[0008]对于内部RC柱，如其截面为方形，则需要将其等效转化为圆形。假设方形RC柱边长
为b2，转化后的圆形RC柱半径为r2，则有：
[0009][0010]对于方形截面的组合加固柱，假设方钢管边长和壁厚分别为b1和t，转化后的圆钢管内半径和壁厚分别为r1和t1，则有：
[0011][0012]方形截面的钢管对核心混凝土的约束作用不均匀，位于截面中部及方钢管角部处的混凝土受到的约束作用较强，方钢管边长中部位置处的混凝土受到的约束作用则较弱。则根据与外套钢管的相对尺寸不同，内部RC柱混凝土可能部分或全部处于强约束区范围内。对圆形RC柱来说，假设其直径为d，RC柱混凝土位于非有效约束区的面积为A
o
，则有：
[0013][0014][0015]对方形RC柱来说，假设其边长为b2，则RC柱混凝土位于非有效约束区的面积为A
o
为：
[0016][0017]由此，假设原RC柱混凝土强度为f
ic
，面积为A
ic
,侧向约束力为p
ic
，则RC柱混凝土等效强度f
ic,eq
为：
[0018][0019]其中，k1为约束强度系数。
[0020]由上式可知，当外套钢管截面形式为方形时，RC柱混凝土的约束力折减系数k
ic
为：
[0021][0022]同理，假设夹层混凝土强度为f
sc
，面积为A
sc
，侧向约束力为p
sc
，则夹层混凝土等效强度f
sc,eq
为：
[0023][0024][0025]即当外套钢管截面形式为方形时，夹层混凝土的约束力折减系数k
sc
为：
[0026][0027]除对混凝土约束作用差别外，还应考虑到方钢管在轴向荷载作用下的局部屈曲，即应力分布不均问题。在组合加固柱达到极限承载力时，方钢管由于截面纵向应力分布差异，等效强度达不到屈服强度。因此，采用有效宽度法来考虑其对于承载能力的影响，钢管的有效宽度b
e
按下列公式计算：
[0028][0029][0030]式中，k
cr
为板面屈曲系数，对于钢管混凝土来说，取值为10.311。
[0031]于是，方形钢管等效屈服强度f
te
为：
[0032][0033]式中，f
ty
为钢管的屈服强度。
[0034]S2：建立组合加固柱各组成部分受力与变形关系
[0035]S2.1：RC柱混凝土受力与变形分析
[0036]在上升段，RC柱混凝土纵向应力
‑
应变关系为：
[0037][0038]f
′
ic,co
＝γ
ic
f
′
ic
+4.1k
ic
p1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(式15)；
[0039][0040]式中，ε
z
为纵向受压应变；γ
ic
＝1.65A
ic
‑
0.056
为RC柱混凝土尺寸效应系数，A
ic
为RC柱混凝土面积；f
′
ic
和f
′
ic,co
分别为RC柱混凝土在单轴受压状态和约束状态下的强度；p1为夹层混凝土与RC柱混凝土之间的法向接触应力。
[0041]在下降段，RC柱混凝土纵向应力
‑
应变关系为：
[0042][0043][0044]β＝12.16p1/(γ
ic
f
′
ic
)
‑
3.49
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(式19)；
[0045][0046]k＝5.79[p1/(γ
ic
f
′
ic
)]0.694
+1.301
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(式21)；
[0047]a＝795.7
‑
3.291γ
ic
f
′
ic
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种外套钢管夹层混凝土加固混凝土柱轴压承载力统一计算方法，其特征在于：包括如下步骤：S1：对不同截面形式的组合加固柱进行截面形状的统一转化，包括内部RC柱的转化及组合加固柱的转化；对于内部RC柱，如其截面为方形，则需要将其等效转化为圆形；假设方形RC柱边长为b2，转化后的圆形RC柱半径为r2，则有：对于方形截面的组合加固柱，假设方钢管边长和壁厚分别为b1和t，转化后的圆钢管内半径和壁厚分别为r1和t1，则有：对于圆形RC柱，假设其直径为d，RC柱混凝土位于非有效约束区的面积为A
o
，则有：则有：对于方形RC柱，假设其边长为b2，则RC柱混凝土位于非有效约束区的面积为A
o
为：由此，假设原RC柱混凝土强度为f
ic
，面积为A
ic
,侧向约束力为p
ic
，则RC柱混凝土等效强度f
ic,eq
为：其中，k1为约束强度系数；由上式可知，当外套钢管截面形式为方形时，RC柱混凝土的约束力折减系数k
ic
为：同理，假设夹层混凝土强度为f
sc
，面积为A
sc
，侧向约束力为p
sc
，则夹层混凝土等效强度f
sc,eq
为：
即当外套钢管截面形式为方形时，夹层混凝土的约束力折减系数k
sc
为：采用有效宽度法来考虑其对于承载能力的影响，钢管的有效宽度b
e
按下列公式计算：按下列公式计算：式中，k
cr
为板面屈曲系数，对于钢管混凝土来说，取值为10.311；于是，方形钢管等效屈服强度f
te
为：式中，f
ty
为钢管的屈服强度；S2：建立组合加固柱各组成部分受力与变形关系：S2.1：RC柱混凝土受力与变形分析：在上升段，RC柱混凝土纵向应力
‑
应变关系为：f
′
ic,co
＝γ
ic
f
′
ic
+4.1k
ic
p1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(式15)；式中，ε
z
为纵向受压应变；γ
ic
＝1.65A
ic
‑
0.056
为RC柱混凝土尺寸效应系数，A
ic
为RC柱混凝土面积；f
′
ic
和f
′
ic,co
分别为RC柱混凝土在单轴受压状态和约束状态下的强度；p1为夹层混凝土与RC柱混凝土之间的法向接触应力；在下降段，RC柱混凝土纵向应力
‑
应变关系为：
β＝12.16p1/(γ
ic
f
′
ic
)
‑
3.49
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(式19)；k＝5.79[p1/(γ
ic
f
′
ic
)]
0.694
+1.301
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(式21)；a＝795.7
‑
3.291γ
ic
f
′
ic
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(式22)；RC柱混凝土的环向应变
‑
纵向应变关系为：纵向应变关系为：纵向应变关系为：纵向应变关系为：式中，ν
c
为RC柱混凝土泊松比；S2.2：夹层混凝土受力与变形分析：在上升段，夹层混凝土纵向应力
‑
应变关系为：
‑
f
′
sc,co
＝
‑
γ
sc
f
′
sc
+4.1k
sc
σ
r,sc
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(式28)；σ
r,sc
＝
‑
(p1+p2)/2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(式29)；ε
sc,co
＝
‑
0.0022[17(p1+p2)/(2γ
sc
f
′
sc
)
‑
0.03(p1+p2)+1]...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢亦焱，赵晓博，李杉，李伟捷，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：