四腔体钢管混凝土柱的N-M关系曲线构建以及设计方法

本发明涉及建筑结构设计，尤其是一种四腔体钢管混凝土柱的n-m关系曲线构建以及设计方法。

背景技术：

1、目前，国内外用于钢管混凝土柱压弯承载力计算的规范主要包含国家标准《钢管混凝土结构技术规范》(gb 50936-2014)和《欧洲组合结构设计规范》(ec4,bs en 1994-1-1)。其中，《钢管混凝土结构技术规范》(gb 50936)在计算时，将钢管和混凝土看作一种组合材料，计算钢管混凝土柱在轴压荷载作用下的抗弯承载力，并采用约束效应系数来考虑钢管对混凝土的约束；《欧洲组合结构设计规范》(ec4)分别考虑钢管和混凝土对轴压承载力的贡献。由于上述两部规范中的公式主要针对普通钢管混凝土柱提出，未考虑多腔体的截面构造特征，因此在计算多腔体钢管混凝土柱时，精度极低。而多腔体钢管混凝土柱的性能更加优异，在建筑领域，已经开始逐步替代普通钢管混凝土柱(即单腔体钢管混凝土柱)。显然，目前急需一种针对多腔体钢管混凝土柱的压弯承载力计算方法。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术中缺乏多腔体钢管混凝土柱的压弯承载力计算方法的缺陷，本发明提出了一种四腔体钢管混凝土柱的n-m关系曲线构建方法，实现了四腔体钢管混凝土柱的n-m关系曲线的高精度计算，填补了技术空白。

2、本发明提出的一种四腔体钢管混凝土柱的n-m关系曲线构建方法，包括：

3、假定四腔体钢管混凝土柱受力时，不考虑混凝土受到的拉力，计算截面中和轴与形心轴的距离xn；

4、基于拉压平衡，结合截面中和轴与形心轴的距离xn计算轴压力为零时的弯矩mpl和最大弯矩mmax；

5、获取最大轴压力npl和设定轴压力npm；

6、结合指定规范绘制n-m曲线。

7、优选的，截面中和轴与形心轴的距离xn的计算公式如下：

8、

9、其中，fc′1为角钢和内隔板围成的腔体内的混凝土的抗压强度，ac为角钢和内隔板围成的腔体内的混凝土的截面面积，d为四腔体钢管混凝土柱截面的高度，b为四腔体钢管混凝土柱截面的宽度；ti为内隔板厚度，ta为角钢厚度，fua为角钢抗拉强度，fui为内隔板抗拉强度。

10、优选的，轴压力为零时的弯矩mpl取值角钢和内隔板围成的腔体内的混凝土在轴压力为0时的弯矩mcl、内隔板在轴压力为0时的弯矩mi和角钢在轴压力为0时的弯矩ma三者之和；最大弯矩mmax为角钢和内隔板围成的腔体内的混凝土的最大弯矩m'cl、内隔板的最大弯矩m'i和角钢的最大弯矩m'a三者之和。

11、优选的：

12、

13、

14、其中，fc′1为角钢和内隔板围成的腔体内的混凝土的抗压强度，ac为角钢和内隔板围成的腔体内的混凝土的总截面面积，xn为截面中和轴与形心轴的距离，ti为内隔板厚度，ta为角钢厚度，d为四腔体钢管混凝土柱截面的高度，b为四腔体钢管混凝土柱截面的宽度。

15、优选的：

16、

17、

18、其中，fui为内隔板抗拉强度，ti为内隔板厚度，xn为截面中和轴与形心轴的距离，d为四腔体钢管混凝土柱截面的高度，b为四腔体钢管混凝土柱截面的宽度；fua为角钢抗拉强度，ta为角钢厚度。

19、优选的：

20、

21、

22、其中，fua为角钢抗拉强度，ta为角钢厚度，fui为内隔板抗拉强度，ti为内隔板厚度，xn为截面中和轴与形心轴的距离；d为四腔体钢管混凝土柱截面的高度，b为四腔体钢管混凝土柱截面的宽度。

23、优选的，最大轴压力npl的计算公式如下：

24、npl＝fc′1×ac×4+fya×aa×na+fyi×ai

25、其中，fc′1表示角钢和内隔板围成腔体内的混凝土的抗拉强度，ac1表示四腔体钢管混凝土柱中单个腔体内的混凝土截面积；fya、aa、na分别表示角钢的屈服强度、截面积和数量；fyi和ai分别表示内隔板的屈服强度和截面积。

26、一种四腔体钢管混凝土柱的设计方法，首先获取设计方案的n-m关系曲线；对设计方案进行仿真，计算不同工况下的压弯承载力；如果有压弯承载力位于n-m曲线上方，则调整设计方案，直至所有工况下的压弯承载力均位于n-m曲线上或者n-m曲线下方；

27、获取设计方案的n-m关系曲线的方法，包括以下步骤：

28、针对设计方案中的钢材和混凝土，确定角钢的抗拉强度fua、角钢的屈服强度fya、内隔板抗拉强度fui和内隔板屈服强度fyi；

29、根据设计参数确定角钢和内隔板围成腔体内的混凝土受约束时的抗压强度fc′1；

30、将设计参数和fc′1代入所述的四腔体钢管混凝土柱的n-m关系曲线构建方法，获取四腔体钢管混凝土柱的n-m曲线。

31、优选的，设计参数包括：四腔体钢管混凝土柱的截面宽度b、截面高度d、混凝土的截面面积ac、内隔板厚度ti和角钢厚度ta。

32、本发明的优点在于：

33、(1)本发明提出的四腔体钢管混凝土柱的n-m关系曲线构建方法，基于四腔体钢管混凝土柱的多腔体截面的特征，同时考虑了内隔板对柱子的压弯承载力的贡献、钢材的抗拉强度等，计算关键参数如截面中和轴与形心轴的距离xn，使得轴压力为零时的弯矩mpl和最大弯矩mmax的推断更加精确，从而实现了更准确的n-m关系曲线构建。

34、(2)本发明还考虑到大含钢率多腔体钢管混凝土柱在拟静力试验过程中，以钢管受拉出现贯通裂缝为主要的破坏现象，从而综合考虑了不同位置钢材的抗拉强度、屈服强度等，在计算过程中采用，取得了更加准确的计算结果。

35、(3)本发明提出的四腔体钢管混凝土柱的设计方法，采用抗弯承载力仿真结果和n-m关系曲线的对比，实现设计方案的有效性和安全性验证，并针对性调整设计参数，为四腔体钢管混凝土柱的设计安全提供了保障。

技术特征：

1.一种四腔体钢管混凝土柱的n-m关系曲线构建方法，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的四腔体钢管混凝土柱的n-m关系曲线构建方法，其特征在于，截面中和轴与形心轴的距离xn的计算公式如下：

3.如权利要求1所述的四腔体钢管混凝土柱的n-m关系曲线构建方法，其特征在于，轴压力为零时的弯矩mpl取值角钢和内隔板围成的腔体内的混凝土在轴压力为0时的弯矩mcl、内隔板在轴压力为0时的弯矩mi和角钢在轴压力为0时的弯矩ma三者之和；最大弯矩mmax为角钢和内隔板围成的腔体内的混凝土的最大弯矩m'cl、内隔板的最大弯矩m'i和角钢的最大弯矩m'a三者之和。

4.如权利要求3所述的四腔体钢管混凝土柱的n-m关系曲线构建方法，其特征在于：

5.如权利要求3所述的四腔体钢管混凝土柱的n-m关系曲线构建方法，其特征在于：

6.如权利要求3所述的四腔体钢管混凝土柱的n-m关系曲线构建方法，其特征在于：

7.如权利要求3所述的四腔体钢管混凝土柱的n-m关系曲线构建方法，其特征在于，最大轴压力npl的计算公式如下：

8.一种采用如权利要求1-7任一项所述的四腔体钢管混凝土柱的n-m关系曲线构建方法的四腔体钢管混凝土柱的设计方法，其特征在于，首先获取设计方案的n-m关系曲线；对设计方案进行仿真，计算不同工况下的压弯承载力；如果有压弯承载力位于n-m曲线上方，则调整设计方案，直至所有工况下的压弯承载力均位于n-m曲线上或者n-m曲线下方；

9.如权利要求8所述的四腔体钢管混凝土柱的设计方法，其特征在于，设计参数包括：四腔体钢管混凝土柱的截面宽度b、截面高度d、混凝土的截面面积ac、内隔板厚度ti和角钢厚度ta。

技术总结本发明涉及建筑结构设计技术领域，尤其是一种四腔体钢管混凝土柱的N‑M关系曲线构建以及设计方法。本发明中，假定四腔体钢管混凝土柱受力时，混凝土收到的拉力为零，计算截面中和轴与形心轴的距离x<subgt;n</subgt;；基于拉压平衡，结合截面中和轴与形心轴的距离x<subgt;n</subgt;计算轴压力为零时的弯矩M<subgt;pl</subgt;和最大弯矩M<subgt;max</subgt;；获取最大轴压力N<subgt;pl</subgt;和设定轴压力N<subgt;pm</subgt;；结合指定规范绘制N‑M曲线。本发明基于四腔体钢管混凝土柱的多腔体截面的特征，同时考虑了内隔板对柱子的压弯承载力的贡献、钢材的抗拉强度等，计算关键参数如截面中和轴与形心轴的距离x<subgt;n</subgt;，使得轴压力为零时的弯矩M<subgt;pl</subgt;和最大弯矩M<subgt;max</subgt;的推断更加精确，从而实现了更准确的N‑M关系曲线构建。技术研发人员：蒋庆,王瀚钦,种迅,冯玉龙,黄俊旗受保护的技术使用者：合肥工业大学技术研发日：技术公布日：2024/7/29