多腔体钢管混凝土柱的轴压承载力获取方法及模型构建

本发明涉及建筑结构评估，尤其是一种多腔体钢管混凝土柱的轴压承载力获取方法及模型构建。

背景技术：

1、钢管混凝土柱是在钢管中填充混凝土形成的组合构件。因外钢管约束了混凝土的横向变形，同时内填混凝土避免了钢管向内屈曲，使得钢管混凝土柱相比钢筋混凝土柱及钢柱具有更高的承载力和延性。其中方形(或矩形)钢管混凝土柱因具有加工简便，梁柱节点构造简单等优点，应用更加广泛。方形(或矩形)钢管混凝土柱中内填混凝土受到的约束效应最强的部分位于截面四角及中间，因此方形(或矩形)钢管角部受到混凝土对其的反作用力最大，荷载作用下，易在角部开裂，降低了柱子的延性。

2、采用多个热轧角钢、横向隔板和纵向隔板焊接后得到多腔体钢管，在多腔型钢管内填充混凝土后形成多腔型钢管混凝土柱避免了在方形(或矩形)钢管对混凝土约束较强的角部采用焊接连接，使其在压弯荷载作用下不会因角部焊缝撕裂而降低承载力，同时钢梁与多腔型钢管混凝土柱节点构造和传力路径简单，施工效率高，不会对室内的美观性造成影响。

3、但是，现有行业规范公式主要针对单腔钢管混凝土柱提出，未考虑多腔体的截面构造特征以及截面高宽比的影响，钢管对混凝土的约束效应采用约束效应系数表达，且未考虑实际的有效约束面积。

4、综上所述，目前缺少一种针对多腔体钢管混凝土柱的轴压承载力计算方法。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术中缺少针对多腔体钢管混凝土柱的轴压承载力的计算方法的缺陷，本发明提出了一种计算多腔体钢管混凝土柱中单个腔体轴压承载力的计算模型，以便对单个腔体的轴压承载力累计作为多腔体钢管混凝土柱的轴压承载力。

2、本发明提出的一种多腔体钢管混凝土柱的计算模型的构建方法，用于构建多腔体钢管混凝土柱中单个腔体的轴压承载力计算模型，所述方法包括以下步骤：

3、s1、提出多腔体钢管混凝土柱中单个腔体的轴压承载力nc的计算公式；

4、nc＝αfyas+fccac  (1)

5、其中，α为钢管竖向应力系数，fy为钢材屈服强度，as为单个腔体围壁的钢材横截面面积，fcc为约束混凝土轴心抗压强度，ac为单个腔体内的混凝土横截面面积；

6、s2、建立混凝土受约束时的抗压强度与钢管对混凝土侧向约束力关系公式：

7、

8、

9、其中，fc0为非约束混凝土的圆柱体抗压强度；fl'为混凝土等效侧向约束力，fl'1为短边方向上钢管对混凝土的有效约束力，fl'2为长边方向上钢管对混凝土的有效约束力；b为单个腔体的截面宽度，d为单个腔体的截面高度，tb为短边方向上钢管厚度，td为长边方向上钢管厚度；

10、s3、将公式(1)变形为：

11、nc＝αfyas+fc0ac[-7.333(fl'ae/fc0ac)2+6.533(fl'ae/fc0ac)+1]  (7)

12、s4、构建约束条件：α2-α·β+β2＝1  (11)

13、α为钢管竖向应力系数，β为钢管侧向约束力系数；

14、s5、构建α和β值与d/b的映射函数，并收集单腔钢管混凝土柱试验数据进行参数拟合；

15、s6、考虑到单腔钢管四壁等厚，令te＝ti＝tb＝td＝t，简化公式(3)获得：

16、

17、s7、构建多腔体钢管混凝土柱中单个腔体的轴压承载力nc的计算模型，即：

18、

19、其中，fy为钢材屈服强度；fc0为非约束混凝土的圆柱体抗压强度；fl'为混凝土等效侧向约束力；as为单个腔体围壁的钢材横截面面积；ac为单个腔体内的混凝土横截面面积，ae为混凝土受钢管约束时的有效约束面积；

20、b为单个腔体的截面宽度，d为单个腔体的截面高度，t取单腔管壁厚度；α为钢管竖向应力系数，β为钢管侧向约束力系数；α和β为拟合函数，f1(d/b)和f2(d/b)表示自变量为d/b的函数。

21、优选的，α和β的拟合函数设置为：

22、α＝f1(d/b)＝k1×(d/b)+k2  (12)

23、β＝f2(d/b)＝k3×(d/b)+k4  (13)

24、其中，k1、k2、k3、k4为根据单腔钢管混凝土柱试验数据进行拟合的参数。

25、优选的，k1＝0.028，k2＝0.9，k3＝0.045，k4＝-0.17。

26、本发明提出的一种多腔体钢管混凝土柱轴压承载力的获取方法，可高效预测多腔体钢管混凝土柱轴压承载力，其包括以下步骤：

27、sa1、构建多腔体钢管混凝土柱中单个腔体的轴压承载力nc的计算模型：

28、

29、其中，fy为钢材屈服强度；fc0为非约束混凝土的圆柱体抗压强度；fl'为混凝土等效侧向约束力；as为单个腔体围壁的钢材横截面面积；ac为单个腔体内的混凝土横截面面积，ae为混凝土受钢管约束时的有效约束面积；

30、b为单个腔体的截面宽度，d为单个腔体的截面高度，t取单腔管壁厚度；α为钢管竖向应力系数，β为钢管侧向约束力系数；α和β为拟合函数，f1(d/b)和f2(d/b)表示自变量为d/b的函数；

31、sa2、收集普通钢管混凝土柱试验数据，拟合竖向应力系数α相对于d/b的映射函数f1(d/b)以及和侧向约束力系数β值相对于d/b的映射函数f2(d/b)；

32、sa3、计算多腔体钢管混凝土柱中单个腔体的轴压承载力nc，计算多腔体钢管混凝土柱中单个腔体的轴压承载力nc的累加值作为多腔体钢管混凝土柱的轴压承载力。

33、优选的，映射函数设置为：

34、α＝f1(d/b)＝k1×(d/b)+k2

35、β＝f2(d/b)＝k3×(d/b)+k4

36、k1、k2、k3、k4为根据单腔钢管混凝土柱试验数据进行拟合的参数。

37、本发明提出的一种多腔体钢管混凝土柱轴压承载力的获取方法，包括以下步骤：

38、sb1、获得多腔体钢管混凝土柱中单个腔体的轴压承载力nc的计算模型：

39、

40、其中，fy为钢材屈服强度；fc0为非约束混凝土的圆柱体抗压强度；fl'为混凝土等效侧向约束力；as为单个腔体围壁的钢材横截面面积；ac为单个腔体内的混凝土横截面面积，ae为混凝土受钢管约束时的有效约束面积；

41、b为单个腔体的截面宽度，d为单个腔体的截面高度，t取单腔管壁厚度；α为钢管竖向应力系数，β为钢管侧向约束力系数；

42、sb2、计算多腔体钢管混凝土柱中单个腔体的轴压承载力nc，计算多腔体钢管混凝土柱中单个腔体的轴压承载力nc的累加值作为多腔体钢管混凝土柱的轴压承载力。

43、本发明的优点在于：

44、(1)本发明提出的一种多腔体钢管混凝土柱的计算模型的构建方法，用于构建多腔体钢管混凝土柱中单个腔体的轴压承载力计算模型，通过计算模型可快速计算多腔体钢管混凝土柱中单个腔体的轴压承载力，且准确考虑多腔体钢管对混凝土的约束效应，大大提高了单个腔体的轴压承载力的计算精度。

45、(2)本发明提出的一种多腔体钢管混凝土柱轴压承载力的获取方法，首先将多腔体钢管混凝土柱等效为多个单腔体混凝土柱，通过对单个腔体的轴压承载力累加求和作为多腔体钢管混凝土柱的轴压承载力。基于本发明提供的单个腔体的轴压承载力计算模型，本发明可快速计算单个腔体的轴压承载力，然后快速求和以获取多腔体钢管混凝土柱的轴压承载力，大大提高了计算效率，且该计算方法适用范围极广，计算精度平均高于现有任一种计算方式。