FRP管-混凝土-钢管组合柱的设计方法技术

本发明专利技术涉及新型组合构件的设计方法，旨在提供用于FRP管-混凝土-钢管组合柱（简称双管组合柱）的设计方法。该设计方法是在已知将要使用该双管组合柱的工程构件的内力值的情况下，准确评价双管组合柱的极限承载力是否满足工程构件的应用要求。本发明专利技术首次提出了用于计算双管组合柱正截面受压承载力的设计公式，结合已有的斜截面受剪承载力公式，能够较为准确且偏于安全地用于设计。公式考虑了偏心荷载下FRP管对混凝土约束不断变化这一因素，并且可适用于各种类型的FRP管约束，与已有FRP约束钢筋混凝土柱公式在形式上保持的延续性。本发明专利技术对FRP管用量和构件长细比范围提出建议，使构件设计中材料的性能得到充分利用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种新型组合构件的设计方法。更具体地说，本专利技术涉及一种用于FRP管-混凝土 -钢管组合柱(简称双管组合柱)的设计方法。
技术介绍
随着科学技术的不断发展和建筑行业的不断进步，充分利用新型FRP (纤维增强塑料,Fiber Reinforced Plastics)复合材料与传统建筑材料(如混凝土)特点的组合构件已经成为工程应用中的一种趋势。FRP是一种新型高级复合材料，力学性能优良，化学稳定性更好。FRP的抗拉强度很高，至少是建筑钢材的两倍，其中常用的CFRP (碳纤维增强复合材料)可高达十倍或以上；FRP的密度只有钢材的五分之一 ；FRP的抗腐蚀能力强，能阻隔电磁辐射，耐久性好。CFRP的抗疲劳能力也优于建筑钢材。因此，在混凝土构件中结合利用新型FRP复合材料比采用钢管等其他传统材料具有更明显的优势。 FRP管-混凝土 -钢管组合柱是一种最近几年开始研究的新型组合构件，由外部FRP管、内部钢管及中间填充的混凝土共同组成。构件的截面可根据实际受力情况具有多种不同形式。由于充分发挥FRP复合材料、混凝土、钢材各自的特点，该双管组合柱具有一些其他构件无法比拟的特点。如FRP管不易发生局部屈曲，其约束作用使构件具有更好的延性，在地震作用下可作为抗剪钢筋，有防止构件发生脆性破坏的作用，同时FRP管具有较强的耐腐蚀性能，在施工中可作为混凝土浇筑的永久模板；构件内部的钢管的存在，使构件能承受部分施工时的荷载，也更加便于梁柱节点或与基础的连接；构件中空部分可以作为管线通道，并且由于截面空心率(混凝土部分内径与外径之比)通常可取O. 6^0. 8，大大减轻了构件自身的质量。已有试验表明，轴压构件的约束混凝土承载力可提高:Γ4倍。纯弯构件在承载力下降很小的情况下，跨中挠度可达跨度的1/15。这些优点，表明该双管组合柱具有非常好的应用前景。但是，在实际的工程设计应用中，仍存在如下问题在制作双管组合柱的时候，尚没有准确的指导方法告诉技术人员应该如何确定其各项参数，导致对双管组合柱的极限承载力是否能满足工程构件的应用要求无法预计。进而造成盲目设计、盲目制作和盲目施工应用，最终给工程构件质量造成潜在危害。专利技术內容本专利技术要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种FRP管-混凝土-钢管组合柱的设计方法，使得双管组合柱的设计、制作人员获得必要的准确的建议。为了解决上述技术问题，本专利技术是通过以下技术方案实现的。本专利技术提供了一种FRP管-混凝土 -钢管组合柱的设计方法，所述组合柱是指由外部的FRP管、内部的钢管及填充于两管之间的混凝土共同组成的双管组合柱；该设计方法是在已知将要使用该双管组合柱的工程构件的内力值的情况下，准确评价双管组合柱的极限承载力是否满足工程构件的应用要求；定义用以描述双管组合柱的参数如下构件长度用L表示；FRP管内外径分别为D和Df，轴压、环拉弹性模量分别为Exc;，rff、Eet，rff，实际环向断裂应变ε ;中间混凝土无约束和约束下峰值强度分别f。。、f。。，无约束下峰值强度对应的应变为ε。。，初始弹性模量为Ε。，纯弯下的极限压应变为ε。_ ;内部钢管外径和厚度分别为Ds、ts，屈服强度为fy，弹性模量为Es。构件两端荷载偏心距为ei、e2,并且约定e2永远取正值且绝对值大于ei ；该方法具体包括以下步骤(I)对于给定的双管组合柱，根据界限长细比计算公式判断双管组合柱属于短柱或者长柱 ,,、 4 + 2.5(1 + 6^)(1- Γ π L )D e2 -- =Th-^八'人(1 + 0.050) CO式中，ρ ε为FRP管环向断裂应变比(era/e。。)，η为考虑空心率x (=DS/D)影响的修正参数，采用下式计算=(1-ζΓ16如果设计构件的L/D计算值小于界限长细比(L/D) 即为短柱，反之则为长柱；(2)对于判断为短柱的，采用下式计算双管组合柱的极限承载力 「 sin(2;r60 , , , sin(2^6>')1、5Nv=OC U θ——^}—χ Θ +r~^)- +./；Λ (6 o-0t) + -af4^fInInο2Γsin"(^) , sin'(^6> ) Sin(^)Isin(W1) 5 σ(Α(ΚMuHecAR ^^^~- +/AA~——-~l +3πππο π式中，Mu、Nu为偏心距e2下构件的极限承载力，R和Rs为对应于D和Ds的截面半径，么=311 2，~、4分别为？1^管、钢管的截面面积；231 θ、2π Θ '分别为受压区混凝土等效矩形应力图高度对应FRP管和钢管的圆心角；参数αι、Θ。、0t、0f、0f、mf分别按如下计算式获得=1.16-0.18.4'。。/./:',0<a. = 1.25 (沒-0.50)/ζ +0.54 < I0- ^ =-1.42(^-0.44)/^ + 0 S <|σΓ = ExceiiScuec6>f =0.75^ + 0.03Wr = Sin(^r)式中，ε cu,ec.fcc,ec分别为偏心距为e2时约束混凝土的极限压应变和极限强度，α 为约束混凝土的平均应力系数，而of为达到应变^爿时FRP管的压应力，其余为计算过程的中间参数；(3)对于判断为长柱的，采用下式计算双管组合柱的极限承载力权利要求1.一种FRP管-混凝土 -钢管组合柱的设计方法，所述组合柱是指由外部的FRP管、内部的钢管及填充于两管之间的混凝土共同组成的双管组合柱；其特征在于，该设计方法是在已知将要使用该双管组合柱的工程构件的内力值的情况下，准确评价双管组合柱的极限承载力是否满足工程构件的应用要求； 定义用以描述双管组合柱的参数如下构件长度用L表示；FRP管内外径分别为D和Df，轴压、环拉弹性模量分别为EXyff、Eet，rff，实际环向断裂应变ε ;中间混凝土无约束和约束下峰值强度分别f。。、f。。，无约束下峰值强度对应的应变为ε。。，初始弹性模量为Ε。，纯弯下的极限压应变为ε。_ ;内部钢管外径和厚度分别为Ds、ts，屈服强度为fy，弹性模量为Es ;构件两端荷载偏心距为ei、e2,并且约定e2永远取正值且绝对值大于ei ； 该方法具体包括以下步骤 (1)对于给定的双管组合柱，根据界限长细比计算公式判断双管组合柱属于短柱或者长柱2.根据权利要求I所述的设计方法，其特征在于，所述外部FRP管径厚比(Df/tf)取不大于200。3.根据权利要求I所述的设计方法，其特征在于，所述截面混凝土的空心率X(Ds/D)在O. 6 0. 8范围内取值。4.根据权利要求I所述的设计方法，其特征在于，所述钢管的径厚比(Ds/ts)小于70。5.根据权利要求I至4任意一项所述的设计方法，其特征在于，所述构件FRP用量和构件长细比采用以下公式进行限制全文摘要本专利技术涉及新型组合构件的设计方法，旨在提供用于FRP管-混凝土-钢管组合柱(简称双管组合柱)的设计方法。该设计方法是在已知将要使用该双管组合柱的工程构件的内力值的情况下，准确评价双管组合柱的极限承载力是否满足工程构件的应用要求。本专利技术首次提出了用于计算双管组合柱正截面受压承载力的设计公式，结合已有的斜截面受剪承载力公式，能够较为准确且偏于安全地用于设计。公式本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种FRP管？混凝土？钢管组合柱的设计方法，所述组合柱是指由外部的FRP管、内部的钢管及填充于两管之间的混凝土共同组成的双管组合柱；其特征在于，该设计方法是在已知将要使用该双管组合柱的工程构件的内力值的情况下，准确评价双管组合柱的极限承载力是否满足工程构件的应用要求；定义用以描述双管组合柱的参数如下：构件长度用L表示；FRP管内外径分别为D和Df，轴压、环拉弹性模量分别为Exc,eff、Eθt,eff，实际环向断裂应变εru；中间混凝土无约束和约束下峰值强度分别fco、fcc，无约束下峰值强度对应的应变为εco，初始弹性模量为Ec，纯弯下的极限压应变为εcu,b；内部钢管外径和厚度分别为Ds、ts，屈服强度为fy，弹性模量为Es；构件两端荷载偏心距为e1、e2，并且约定e2永远取正值且绝对值大于e1；该方法具体包括以下步骤：（1）对于给定的双管组合柱，根据界限长细比计算公式判断双管组合柱属于短柱或者长柱：(LD)cr=η14+2.5(1+6e2D)(1-e1e2)fccfco(1+0.05ρϵ)式中，？？为FRP管环向断裂应变比（εru/εco），η？为考虑空心率？(=Ds/D)影响的修正参数，采用下式计算：？η1=(1-χ)-0.16如果设计构件的L/D计算值小于界限长细比(L/D)cr即为短柱，反之则为长柱；（2）对于判断为短柱的，采用下式计算双管组合柱的极限承载力：Nu=α1fcc,ecA[θ-sin(2πθ)2π-χ2θ′+χ2sin(2πθ′)2π]+fyAs(θc-θt)+56σfAfθfMu=23α1fcc,ecAR[sin3(πθ)π-χ3sin3(πθ′)π]+fyAsRssin(πθc)+sin(πθt)π+56σfAfRπmf式中，Mu、Nu为偏心距e2下构件的极限承载力，R和Rs为对应于D和Ds的截面半径，A=πR2，Af、As分别为FRP管、钢管的截面面积；2πθ？、2πθ＇分别为受压区混凝土等效矩形应力图高度对应FRP管和钢管的圆心角；参数α1、θc、θt、σf、θf、mf分别按如下计算式获得：σ1=1.16-0.18fcc,ec/fco0≤θc=1.25(θ-0.50)/χ+0.54≤10≤θt=-1.42(θ-0.44)/χ+0.53≤1σf=Exc,effϵcu,ecθf=0.75θ+0.03mf=sin(πθf)式中，εcu,ec、fcc,ec分别为偏心距为e2时约束混凝土的极限压应变和极限强度，α1为约束混凝土的平均应力系数，而σf为达到应变εcu,ec时FRP管的压应力，其余为计算过程的中间参数；（3）对于判断为长柱的，采用下式计算双管组合柱的极限承载力：Nu=α1fcc,ecA[θ-sin(2πθ)2π-χ2θ′+χ2sin(2πθ′)2π]+fyAs(θc-θt)+56σfAfθfNuemax=23α1fcc,ec′AR[sin3(πθ)π-χ3sin3(πθ′)π]+fyAsRssin(πθc)+sin(πθt)π+56σfAfRπmf式中，参数emax通过下列各式计算获得：Nbal=0.5fccAo(1-0.75χ2)ζ1=NbalNu≤1ζ2=(1.15+0.07ρϵ)-(0.01+0.014ρϵ)LD≤1η=1+1.25ϵcu,,ec+0.00178.5ei/D(LD)2ζ1ζ2e0=0.6e2+0.4e1&GreaterEqual...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：姚谏，卢哲刚，金小群，许平，张行强，盛黎，
申请(专利权)人：浙江树人大学，浙江大学，
类型：发明
国别省市：