一种考虑混凝土脱空的角钢连接件承载力的确定方法与流程

本申请涉及建筑结构技术领域，尤其涉及一种考虑混凝土脱空的角钢连接件承载力的确定方法。

背景技术：

由于具有对水上航运影响小、占地及拆迁量少、受恶劣天气影响小等优点，沉管隧道已经越来越多代替桥梁成为穿越江河海湾的工具。沉管隧道主要可以分为混凝土沉管隧道和钢壳沉管隧道两大类。其中，由于钢壳具有自重轻的优点并且可以作为混凝土浇筑的模板，可以实现混凝土水上浮态浇筑，大大减少水上托运工作量；同时，钢壳还具有较好的延性、防水性，可以提高隧道整体结构的延性和耐久性，此外硬化混凝土还可以约束钢壳的屈曲，因此，钢壳沉管隧道在近些年得到越来越广泛的应用。

典型的钢壳沉管隧道横截面是由多个双钢板墙面组成的，而所述双钢板墙面则一般包括上翼缘板、下翼缘板、隔板以及连接件等组件，其中相邻纵横隔板相交构成单元区格。钢壳的上、下翼缘板和纵横隔板分别起到加强结构抗弯和抗剪性能的作用。由于钢壳本身可以抵抗弯矩和剪力，考虑到施工的便利性，钢壳沉管隧道内往往不会放置钢筋。

连接件是保证钢和混凝土共同工作的关键，常见形式的连接件包括栓钉连接件、开孔钢板(pbl)连接件和角钢连接件。其中，角钢连接件具有较好的疲劳性能和较高的承载力和刚度，而且角钢连接件施工仅需要进行通长焊接即可，施工相对便捷；另外，角钢连接件除了具有传递剪力的作用以外，还可以提高相连翼缘的惯性矩，减少施工阶段翼缘的面外鼓屈；此外，当混凝土硬化后，角钢连接件还可以为受压侧钢板提供面外约束，约束受压钢板的屈曲。由于具有上述优点，角钢连接件在钢壳沉管隧道中得到广泛的应用。

由于角钢连接件根部存在倒角，不利于浇筑时的排气与振捣，在实际浇筑过程中，在连接件根部可能会产生大尺寸脱空。而相关研究表明，当脱空深度达到20mm时，连接件承载力折减可达31％。

在现有技术中，虽然已经通过推出试验研究了角钢连接件的受剪性能，推出试件中角钢连接件存在的几种破坏机制，并提供了角钢连接件承载力计算的经验公式，但是现有技术中的计算方法中均未考虑混凝土脱空对角钢连接件承载力的影响，因此所计算得到的结果的准确度较差，离散性较大。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种考虑混凝土脱空的角钢连接件承载力的确定方法，从而可以较为准确地分析和计算考虑混凝土脱空时的角钢连接件承载力。

本发明的技术方案具体是这样实现的：

一种考虑混凝土脱空的角钢连接件承载力的确定方法，该方法包括：

根据连接件厚度、混凝土抗压强度以及连接件高度，采用参数回归的方法计算得到无脱空时的角钢连接件承载力；

根据角钢连接件的脱空情况，确定脱空导致的承载力损失；

根据无脱空时的角钢连接件承载力以及脱空导致的承载力损失，计算得到脱空时的角钢连接件承载力。

较佳的，所述根据连接件厚度、混凝土抗压强度以及连接件高度，采用参数回归的方法计算得到无脱空时的角钢连接件承载力包括：

根据连接件厚度、混凝土抗压强度以及连接件高度，对连接件的承载力进行公式拟合，采用基于最小二乘法的线性回归方法计算得到无脱空时的角钢连接件承载力。

较佳的，通过如下的公式计算得到无脱空时的角钢连接件承载力：

vu＝β(tw)^0.34(fc')^0.46(hsc)^0.16；

其中，vu为无脱空时的角钢连接件承载力，tw为连接件厚度，fc'为混凝土抗压强度，hsc为连接件高度，β为连接件承载力系数。

较佳的，所述根据角钢连接件的脱空情况，确定脱空导致的承载力损失包括：

在角钢连接件的角钢腹板的两侧以及角钢翼缘板的两侧均设置一个或多个应变片；

通过设置在角钢腹板的两侧的应变片来测量角钢连接件腹板的曲率，通过设置在角钢翼缘板的两侧应变片来测量角钢连接件翼缘的曲率；

根据测量结果来确定脱空导致的角钢连接件曲率变化。

较佳的，通过如下的公式计算得到脱空导致的承载力损失vde：

vde＝vu-vue＝αfc'he；

其中，vde为脱空导致的承载力损失，vu为无脱空时的角钢连接件承载力，vue为脱空时的角钢连接件承载力，α为根部混凝土应力系数，fc'为混凝土抗压强度，he为脱空深度。

较佳的，通过如下的公式计算得到脱空时的角钢连接件承载力：

vue＝β(tw)^0.34(fc')^0.46(hsc)^0.16-αfc'he；

其中，vue为脱空时的角钢连接件承载力，tw为连接件厚度，fc'为混凝土抗压强度，hsc为连接件高度，β为连接件承载力系数，α为根部混凝土应力系数。

较佳的，所述连接件承载力系数β的取值为71。

较佳的，所述根部混凝土应力系数α的取值为0.85。

如上可见，在本发明中的考虑混凝土脱空的角钢连接件承载力的确定方法中，由于先根据连接件厚度、混凝土抗压强度以及连接件高度，采用参数回归的方法计算得到无脱空时的角钢连接件承载力，然后根据角钢连接件的脱空情况，确定脱空导致的承载力损失，最后再根据无脱空时的角钢连接件承载力以及脱空导致的承载力损失，计算得到脱空时的角钢连接件承载力，因而可以确定考虑混凝土脱空情况时的角钢连接件承载力，从而可以有效地提高确定结果的准确度，并降低确定结果的离散性，较为准确地分析和计算考虑混凝土脱空时的角钢连接件承载力。

附图说明

图1为本发明实施例中的考虑混凝土脱空的角钢连接件承载力的确定方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例中的考虑混凝土脱空的角钢连接件承载力的确定方法的流程示意图。

如图1所示，本发明实施例中的考虑混凝土脱空的角钢连接件承载力的确定方法包括如下所述步骤：

步骤11，根据连接件厚度、混凝土抗压强度以及连接件高度，采用参数回归的方法计算得到无脱空时的角钢连接件承载力。

在本发明的技术方案中，可以预先对角钢连接件进行各种试验，并获取相应的各种试验数据；然后，从所获取的各种试验数据中获取连接件厚度、混凝土抗压强度以及连接件高度等参数，随后根据所获取的参数对连接件的承载力进行公式拟合，采用基于最小二乘法的线性回归方法计算得到无脱空(即不考虑混凝土脱空的影响)时的角钢连接件承载力。

例如，作为示例，在本发明的一个较佳的具体实施例中，可以通过如下所述的公式计算得到无脱空时的角钢连接件承载力：

vu＝β(tw)^0.34(fc')^0.46(hsc)^0.16(3)

其中，vu为无脱空时的角钢连接件承载力，tw为连接件厚度，fc'为混凝土抗压强度，hsc为连接件高度，β为连接件承载力系数。

另外，在本发明的技术方案中，可以根据实际应用情况，预先设置或计算得到上述的连接件承载力系数β的取值。

例如，作为示例，在本发明的一个较佳的具体实施例中，所述连接件承载力系数β的取值可以是71。

当然，在本发明的其它具体实施例中，上述连接件承载力系数β的取值也可以是其它合适的取值(例如，根据试验结果得到的经验值等)。

将使用上述公式对现有试件的承载力进行计算的计算结果与试验结果对比后可知，上述计算结果具有良好的精度。

另外，相比于现有技术中所使用的计算方法，上述公式中还可以进一步考虑连接件高度的影响。考虑到连接件受剪破坏多由混凝土压溃控制，破坏过程偏脆性，在对连接件承载力进行计算时需要适当增加安全储备。

步骤12，根据角钢连接件的脱空情况，确定脱空导致的承载力损失。

在本发明的技术方案中，在得到上述的无脱空时的角钢连接件承载力之后，还需要根据角钢连接件的脱空情况，来确定脱空导致的承载力损失。

在本发明的技术方案中，可以根据脱空位置和剪力方向的关系，将脱空情况分为正面脱空、背面脱空以及双面脱空等三种形式。

根据大量的试验结果可知，背面脱空对角钢连接件的抗剪承载力基本没有影响，这是由于角钢连接件在受剪过程中主要和剪力方向的正面混凝土块发生挤压，因此背面脱空对角钢连接件的影响受剪性能影响较小。而当正面脱空深度为10mm、20mm以及30mm时，角钢连接件的抗剪承载力将分别折减14％，31％以及36％。

发明人通过对不同尺寸和不同脱空深度的角钢连接件展开试验，研究了角钢连接件受剪过程的剪力-相对位移全曲线，以更好地评估混凝土脱空对角钢连接件的力学性能的影响。

因此，在本发明的技术方案中，可以使用多种实现方法来实现上述的步骤12。以下将以其中的一种实现方式为例对本发明的技术方案进行详细的介绍。

例如，较佳的，在本发明的一个具体实施例中，可以在角钢连接件的角钢腹板的两侧以及角钢翼缘板的两侧均设置一个或多个应变片，并通过设置在角钢腹板的两侧的应变片来测量角钢连接件腹板的曲率，通过设置在角钢翼缘板的两侧应变片来测量角钢连接件翼缘的曲率；然后，即可根据上述的测量结果来确定脱空导致的角钢连接件曲率变化，并且可以为脱空的理论分析提供试验数据的支撑。

根据大量的试验结果可知，角钢连接件主要通过混凝土的压应力来抵抗剪力。当存在混凝土脱空时，可以认为角钢连接件底部的承压混凝土消失，导致失去一定的混凝土压应力，从而降低了角钢连接件的抗剪承载力。

由于工程脱空通常不超过20mm，因此可以假定存在脱空时混凝土压应力分布保持不变，混凝土脱空导致的承载力损失来源于无脱空试件和脱空试件的压应力图差，在该脱空深度he范围内可以认为混凝土压应力为常数σc。

考虑到极限状态下底部混凝土压应力状态较为复杂，在本发明的技术方案中，可以通过回归计算σc，并且认为σc和混凝土圆柱体抗压强度fc'成正比。脱空导致的承载力损失vde为无脱空试件承载力vu和脱空试件承载力vue的差值。

因此，作为示例，在本发明的一个较佳的具体实施例中，可以通过如下所述的公式计算得到脱空导致的承载力损失vde：

vde＝vu-vue＝αfc'he(4)

其中，vde为脱空导致的承载力损失，vu为无脱空时的角钢连接件承载力，vue为脱空时的角钢连接件承载力，α为根部混凝土应力系数，fc'为混凝土抗压强度，he为脱空深度。

在上述公式中，vde和vue的单位均为n/mm，he的单位为毫米(mm)，无量纲常数α为压应力σc和fc'的比值。

步骤13，根据无脱空时的角钢连接件承载力以及脱空导致的承载力损失，计算得到脱空时的角钢连接件承载力。

在得到无脱空时的角钢连接件承载力vu和脱空导致的承载力损失vde之后，即可根据该vu和vd计算得到脱空时的角钢连接件承载力vue。

例如，作为示例，在本发明的一个较佳的具体实施例中，可以通过如下所述的公式计算得到脱空时的角钢连接件承载力：

vue＝β(tw)^0.34(fc')^0.46(hsc)^0.16-αfc'he(5)

其中，vue为脱空时的角钢连接件承载力，tw为连接件厚度，fc'为混凝土抗压强度，hsc为连接件高度，β为连接件承载力系数，α为根部混凝土应力系数。

另外，在本发明的技术方案中，可以根据实际应用情况，预先设置或计算得到上述的根部混凝土应力系数α的取值。

例如，作为示例，在本发明的一个较佳的具体实施例中，所述根部混凝土应力系数α的取值可以是0.85。

当然，在本发明的其它具体实施例中，上述根部混凝土应力系数α的取值也可以是其它合适的取值(例如，根据试验结果得到的经验值等)。

因此，通过上述的步骤11～13，即可确定脱空时的角钢连接件承载力。

综上所述，在本发明的技术方案中，由于先根据连接件厚度、混凝土抗压强度以及连接件高度，采用参数回归的方法计算得到无脱空时的角钢连接件承载力，然后根据角钢连接件的脱空情况，确定脱空导致的承载力损失，最后再根据无脱空时的角钢连接件承载力以及脱空导致的承载力损失，计算得到脱空时的角钢连接件承载力，因而可以确定考虑混凝土脱空情况时的角钢连接件承载力，从而可以有效地提高确定结果的准确度，并降低确定结果的离散性，较为准确地分析和计算考虑混凝土脱空时的角钢连接件承载力。

而且，根据大量的试验结果可知，与现有技术中的传统方法相比，本发明中的上述方法具有更好的精度和适用性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。