一种超高性能混凝土耐压壳体极限承载力估算方法

本发明涉及混凝土壳体，尤其涉及一种超高性能混凝土耐压壳体极限承载力估算方法。

背景技术：

1、混凝土空心壳体结构，一般为圆柱、球等各种形状，主要应用于水下工程，具有诸如支撑、填充等多种建筑功能，混凝土空心壳体需要具有耐压抗渗防海水腐蚀的能力。

2、在混凝土空心壳体的生产中，需要对其各项参数进行测试，以测试其是否达到既定标准指标，其中，壳体极限承载力的估算是重要的项目，一般采用数值计算预测法，通过有限元软件的模拟计算，引入一阶模态缺陷及弹塑性材料属性可预测球壳的极限载荷和屈曲行为，或者采用预测经验公式，考虑球壳内径、球壳中径、球壳厚度、材料抗拉强度和缺陷幅值与几何非线性，在耐压结构的初步设计阶段，用于预测耐压球壳的极限承载力，而混凝土耐压壳体一般通过筒体和两端的封头组成，现有技术中，一般对壳体整体的承载力参数进行估算，然而筒体和封头的承载力是不同的，由此，现有技术缺乏有效的分段式估算手段，因此，本发明提出一种超高性能混凝土耐压壳体极限承载力估算方法以解决现有技术中存在的问题。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明提出一种超高性能混凝土耐压壳体极限承载力估算方法，该超高性能混凝土耐压壳体极限承载力估算方法将壳体分开为筒体和封头，计算横截面上筒体的正应力，得到作用在筒体上的周向正应力，再计算筒壁上径向压应力，由此获得筒体的综合应力状态数值，获得筒体极限载荷，接着将数据带入封头，由力的平衡方程获得封头的极限载荷，有利于分段式估算，使得壳体的整体极限承载力数值更加完善。

2、为实现本发明的目的，本发明通过以下技术方案实现：一种超高性能混凝土耐压壳体极限承载力估算方法，包括以下步骤：

3、s1：测量混凝土壳体的各项尺寸数据，包括壁厚t、曲率内径d，选择一块与混凝土壳体相同材料以及厚度的杆体，计算材料的弹性模量e；

4、s2：根据壁厚t、曲率内径d和弹性模量e，采用屈曲临界载荷计算公式初步计算出壳体稳定极限载荷f总；

5、s3：将壳体分开为筒体和封头，计算筒体两端的底面积a＝πdt，筒体两端总压力f＝pπd2/4，其中，p为筒体内压的压强力；

6、s4：计算横截面上筒体的正应力：测量筒体的长度l，通过力平衡方程得到作用在筒体上的周向正应力σθ；

7、s5：p垂直于圆筒内壁，在筒壁上引起径向压应力σr，在σr内壁处最大，其值σr为-p；

8、s6：根据σθ和σr，(σθ+σr)/2≤σx，获得筒体的综合应力状态数值：σs，计算t/d＝b，获得筒体极限载荷f1＝7b/(3+7b)×σs；

9、s7：将筒体内压p带入封头，由于封头内应力具有球对称性，由力的平衡方程可得p＝4t/d×σs，由此，计算t/d＝b，获得封头的极限载荷f2＝4bσs；

10、s8：将封头的极限载荷f2和筒体的极限载荷f1结合稳定极限载荷f总，即为混凝土耐压壳体的综合载荷数据。

11、进一步改进在于：所述s1中，弹性模量计算具体为：应力除以应变，其计算公式为：e＝m/ε，e即为弹性模量，m为应力,ε为应变，应力为单位面积所受的力，表示单位面所受的力的大小，应变指材料变形量与总长度的比值。

12、进一步改进在于：所述s2中，屈曲临界载荷计算公式具体为：

13、

14、其中，由于混凝土耐压壳体的混凝土钢筋特性，材料系数μ＝0。

15、进一步改进在于：所述s3中，分开壳体的过程中，确保两端的封头深度相同，尺寸相同。

16、进一步改进在于：所述s4中，力平衡方程具体为：

17、

18、进一步改进在于：所述s5中，由于的σr最大值为p，那么在筒体整个径向上的σr一致，故取σr＝-p。

19、进一步改进在于：所述s6中，获得筒体的综合应力状态具体通过以下公式：

20、

21、进一步改进在于：所述s7中，封头内的周向正应力σθ＝pd/4t，封头内径向压应力σr＝pπd2/4，由此，直接使用筒体的综合应力状态数值σs。

22、进一步改进在于：所述s8中，多次计算封头的极限载荷f2和筒体的极限载荷f1，列举出折线图，进行极限承载力数据汇总。

23、进一步改进在于：所述s6和s7中，b为厚径比，极限载荷随着厚径比b增加而增加，极限载荷相对增加量随b的增加减小。

24、本发明的有益效果为：

25、1、本发明将壳体分开为筒体和封头，计算横截面上筒体的正应力，得到作用在筒体上的周向正应力，再计算筒壁上径向压应力，由此获得筒体的综合应力状态数值，获得筒体极限载荷，接着将数据带入封头，由力的平衡方程获得封头的极限载荷，有利于分段式估算，使得壳体的整体极限承载力数值更加完善。

26、2、本发明通过一块与混凝土壳体相同材料以及厚度的杆体，来计算材料的弹性模量，根据壁厚、曲率内径和弹性模量，采用屈曲临界载荷计算公式初步计算出壳体稳定极限载荷，得到的壳体稳定极限载荷为材料结合壳体曲率的理论数值，以此作为基准，为估算提供大致范围，使得数据更加多元化。

技术特征：

1.一种超高性能混凝土耐压壳体极限承载力估算方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种超高性能混凝土耐压壳体极限承载力估算方法，其特征在于：所述s1中，弹性模量计算具体为：应力除以应变，其计算公式为：e＝m/ε，e即为弹性模量，m为应力,ε为应变，应力为单位面积所受的力，表示单位面所受的力的大小，应变指材料变形量与总长度的比值。

3.根据权利要求2所述的一种超高性能混凝土耐压壳体极限承载力估算方法，其特征在于：所述s2中，屈曲临界载荷计算公式具体为：

4.根据权利要求3所述的一种超高性能混凝土耐压壳体极限承载力估算方法，其特征在于：所述s3中，分开壳体的过程中，确保两端的封头深度相同，尺寸相同。

5.根据权利要求4所述的一种超高性能混凝土耐压壳体极限承载力估算方法，其特征在于：所述s4中，力平衡方程具体为：

6.根据权利要求5所述的一种超高性能混凝土耐压壳体极限承载力估算方法，其特征在于：所述s5中，由于σr的最大值为p，那么在筒体整个径向上的σr一致，故取σr＝-p。

7.根据权利要求6所述的一种超高性能混凝土耐压壳体极限承载力估算方法，其特征在于：所述s6中，获得筒体的综合应力状态具体通过以下公式：

8.根据权利要求7所述的一种超高性能混凝土耐压壳体极限承载力估算方法，其特征在于：所述s7中，封头内的周向正应力σθ＝pd/4t，封头内径向压应力σr＝pπd2/4，由此，直接使用筒体的综合应力状态数值σs。

9.根据权利要求8所述的一种超高性能混凝土耐压壳体极限承载力估算方法，其特征在于：所述s8中，多次计算封头的极限载荷f2和筒体的极限载荷f1，列举出折线图，进行极限承载力数据汇总。

10.根据权利要求9所述的一种超高性能混凝土耐压壳体极限承载力估算方法，其特征在于：所述s6和s7中，b为厚径比，极限载荷随着厚径比b增加而增加，极限载荷相对增加量随b的增加减小。

技术总结
本发明提供了一种超高性能混凝土耐压壳体极限承载力估算方法，涉及混凝土壳体技术领域，包括以下步骤：S1：测量混凝土壳体的各项尺寸数据，包括壁厚t、曲率内径d，选择一块与混凝土壳体相同材料以及厚度的杆体，计算材料的弹性模量E；S2：根据壁厚t、曲率内径d和弹性模量E，采用屈曲临界载荷计算公式初步计算出壳体稳定极限载荷F总；本发明将壳体分开为筒体和封头，计算横截面上筒体的正应力，得到作用在筒体上的周向正应力，再计算筒壁上径向压应力，由此获得筒体的综合应力状态数值，获得筒体极限载荷，接着将数据带入封头，由力的平衡方程获得封头的极限载荷，有利于分段式估算，使得壳体的整体极限承载力数值更加完善。

技术研发人员：吕林梅,陈叶青,王润林,胡利,戴梦楠
受保护的技术使用者：中国人民解放军军事科学院国防工程研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/5