FRP管-混凝土-鋼管組合柱的設計方法技術

本發明專利技術涉及新型組合構件的設計方法，旨在提供用于FRP管-混凝土-鋼管組合柱（簡稱雙管組合柱）的設計方法。該設計方法是在已知將要使用該雙管組合柱的工程構件的內力值的情況下，準確評價雙管組合柱的極限承載力是否滿足工程構件的應用要求。本發明專利技術首次提出了用于計算雙管組合柱正截面受壓承載力的設計公式，結合已有的斜截面受剪承載力公式，能夠較為準確且偏于安全地用于設計。公式考慮了偏心荷載下FRP管對混凝土約束不斷變化這一因素，并且可適用于各種類型的FRP管約束，與已有FRP約束鋼筋混凝土柱公式在形式上保持的延續性。本發明專利技術對FRP管用量和構件長細比范圍提出建議，使構件設計中材料的性能得到充分利用。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種新型組合構件的設計方法。更具體地說，本專利技術涉及一種用于FRP管-混凝土 -鋼管組合柱(簡稱雙管組合柱)的設計方法。
技術介紹
隨著科學技術的不斷發展和建筑行業的不斷進步，充分利用新型FRP (纖維增強塑料,Fiber Reinforced Plastics)復合材料與傳統建筑材料(如混凝土)特點的組合構件已經成為工程應用中的一種趨勢。FRP是一種新型高級復合材料，力學性能優良，化學穩定性更好。FRP的抗拉強度很高，至少是建筑鋼材的兩倍，其中常用的CFRP (碳纖維增強復合材料)可高達十倍或以上；FRP的密度只有鋼材的五分之一 ；FRP的抗腐蝕能力強，能阻隔電磁輻射，耐久性好。CFRP的抗疲勞能力也優于建筑鋼材。因此，在混凝土構件中結合利用新型FRP復合材料比采用鋼管等其他傳統材料具有更明顯的優勢。 FRP管-混凝土 -鋼管組合柱是一種最近幾年開始研究的新型組合構件，由外部FRP管、內部鋼管及中間填充的混凝土共同組成。構件的截面可根據實際受力情況具有多種不同形式。由于充分發揮FRP復合材料、混凝土、鋼材各自的特點，該雙管組合柱具有一些其他構件無法比擬的特點。如FRP管不易發生局部屈曲，其約束作用使構件具有更好的延性，在地震作用下可作為抗剪鋼筋，有防止構件發生脆性破壞的作用，同時FRP管具有較強的耐腐蝕性能，在施工中可作為混凝土澆筑的永久模板；構件內部的鋼管的存在，使構件能承受部分施工時的荷載，也更加便于梁柱節點或與基礎的連接；構件中空部分可以作為管線通道，并且由于截面空心率(混凝土部分內徑與外徑之比)通?？扇. 6^0. 8，大大減輕了構件自身的質量。已有試驗表明，軸壓構件的約束混凝土承載力可提高:Γ4倍。純彎構件在承載力下降很小的情況下，跨中撓度可達跨度的1/15。這些優點，表明該雙管組合柱具有非常好的應用前景。但是，在實際的工程設計應用中，仍存在如下問題在制作雙管組合柱的時候，尚沒有準確的指導方法告訴技術人員應該如何確定其各項參數，導致對雙管組合柱的極限承載力是否能滿足工程構件的應用要求無法預計。進而造成盲目設計、盲目制作和盲目施工應用，最終給工程構件質量造成潛在危害。專利技術內容本專利技術要解決的技術問題是，克服現有技術中的不足，提供一種FRP管-混凝土-鋼管組合柱的設計方法，使得雙管組合柱的設計、制作人員獲得必要的準確的建議。為了解決上述技術問題，本專利技術是通過以下技術方案實現的。本專利技術提供了一種FRP管-混凝土 -鋼管組合柱的設計方法，所述組合柱是指由外部的FRP管、內部的鋼管及填充于兩管之間的混凝土共同組成的雙管組合柱；該設計方法是在已知將要使用該雙管組合柱的工程構件的內力值的情況下，準確評價雙管組合柱的極限承載力是否滿足工程構件的應用要求；定義用以描述雙管組合柱的參數如下構件長度用L表示；FRP管內外徑分別為D和Df，軸壓、環拉彈性模量分別為Exc;，rff、Eet，rff，實際環向斷裂應變ε ;中間混凝土無約束和約束下峰值強度分別f。。、f。。，無約束下峰值強度對應的應變為ε。。，初始彈性模量為Ε。，純彎下的極限壓應變為ε。_ ;內部鋼管外徑和厚度分別為Ds、ts，屈服強度為fy，彈性模量為Es。構件兩端荷載偏心距為ei、e2,并且約定e2永遠取正值且絕對值大于ei ；該方法具體包括以下步驟(I)對于給定的雙管組合柱，根據界限長細比計算公式判斷雙管組合柱屬于短柱或者長柱 ,,、 4 + 2.5(1 + 6^)(1- Γ π L )D e2 -- =Th-^八'人(1 + 0.050) CO式中，ρ ε為FRP管環向斷裂應變比(era/e。。)，η為考慮空心率x (=DS/D)影響的修正參數，采用下式計算=(1-ζΓ16如果設計構件的L/D計算值小于界限長細比(L/D) 即為短柱，反之則為長柱；(2)對于判斷為短柱的，采用下式計算雙管組合柱的極限承載力 「 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為偏心距e2下構件的極限承載力，R和Rs為對應于D和Ds的截面半徑，么=311 2，~、4分別為？1^管、鋼管的截面面積；231 θ、2π Θ '分別為受壓區混凝土等效矩形應力圖高度對應FRP管和鋼管的圓心角；參數αι、Θ。、0t、0f、0f、mf分別按如下計算式獲得=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分別為偏心距為e2時約束混凝土的極限壓應變和極限強度，α 為約束混凝土的平均應力系數，而of為達到應變^爿時FRP管的壓應力，其余為計算過程的中間參數；(3)對于判斷為長柱的，采用下式計算雙管組合柱的極限承載力權利要求1.一種FRP管-混凝土 -鋼管組合柱的設計方法，所述組合柱是指由外部的FRP管、內部的鋼管及填充于兩管之間的混凝土共同組成的雙管組合柱；其特征在于，該設計方法是在已知將要使用該雙管組合柱的工程構件的內力值的情況下，準確評價雙管組合柱的極限承載力是否滿足工程構件的應用要求； 定義用以描述雙管組合柱的參數如下構件長度用L表示；FRP管內外徑分別為D和Df，軸壓、環拉彈性模量分別為EXyff、Eet，rff，實際環向斷裂應變ε ;中間混凝土無約束和約束下峰值強度分別f。。、f。。，無約束下峰值強度對應的應變為ε。。，初始彈性模量為Ε。，純彎下的極限壓應變為ε。_ ;內部鋼管外徑和厚度分別為Ds、ts，屈服強度為fy，彈性模量為Es ;構件兩端荷載偏心距為ei、e2,并且約定e2永遠取正值且絕對值大于ei ； 該方法具體包括以下步驟 (1)對于給定的雙管組合柱，根據界限長細比計算公式判斷雙管組合柱屬于短柱或者長柱2.根據權利要求I所述的設計方法，其特征在于，所述外部FRP管徑厚比(Df/tf)取不大于200。3.根據權利要求I所述的設計方法，其特征在于，所述截面混凝土的空心率X(Ds/D)在O. 6 0. 8范圍內取值。4.根據權利要求I所述的設計方法，其特征在于，所述鋼管的徑厚比(Ds/ts)小于70。5.根據權利要求I至4任意一項所述的設計方法，其特征在于，所述構件FRP用量和構件長細比采用以下公式進行限制全文摘要本專利技術涉及新型組合構件的設計方法，旨在提供用于FRP管-混凝土-鋼管組合柱(簡稱雙管組合柱)的設計方法。該設計方法是在已知將要使用該雙管組合柱的工程構件的內力值的情況下，準確評價雙管組合柱的極限承載力是否滿足工程構件的應用要求。本專利技術首次提出了用于計算雙管組合柱正截面受壓承載力的設計公式，結合已有的斜截面受剪承載力公式，能夠較為準確且偏于安全地用于設計。公式本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種FRP管？混凝土？鋼管組合柱的設計方法，所述組合柱是指由外部的FRP管、內部的鋼管及填充于兩管之間的混凝土共同組成的雙管組合柱；其特征在于，該設計方法是在已知將要使用該雙管組合柱的工程構件的內力值的情況下，準確評價雙管組合柱的極限承載力是否滿足工程構件的應用要求；定義用以描述雙管組合柱的參數如下：構件長度用L表示；FRP管內外徑分別為D和Df，軸壓、環拉彈性模量分別為Exc,eff、Eθt,eff，實際環向斷裂應變εru；中間混凝土無約束和約束下峰值強度分別fco、fcc，無約束下峰值強度對應的應變為εco，初始彈性模量為Ec，純彎下的極限壓應變為εcu,b；內部鋼管外徑和厚度分別為Ds、ts，屈服強度為fy，彈性模量為Es；構件兩端荷載偏心距為e1、e2，并且約定e2永遠取正值且絕對值大于e1；該方法具體包括以下步驟：（1）對于給定的雙管組合柱，根據界限長細比計算公式判斷雙管組合柱屬于短柱或者長柱：(LD)cr=η14+2.5(1+6e2D)(1-e1e2)fccfco(1+0.05ρϵ)式中，？？為FRP管環向斷裂應變比（εru/εco），η？為考慮空心率？(=Ds/D)影響的修正參數，采用下式計算：？η1=(1-χ)-0.16如果設計構件的L/D計算值小于界限長細比(L/D)cr即為短柱，反之則為長柱；（2）對于判斷為短柱的，采用下式計算雙管組合柱的極限承載力：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為偏心距e2下構件的極限承載力，R和Rs為對應于D和Ds的截面半徑，A=πR2，Af、As分別為FRP管、鋼管的截面面積；2πθ？、2πθ＇分別為受壓區混凝土等效矩形應力圖高度對應FRP管和鋼管的圓心角；參數α1、θc、θt、σf、θf、mf分別按如下計算式獲得：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分別為偏心距為e2時約束混凝土的極限壓應變和極限強度，α1為約束混凝土的平均應力系數，而σf為達到應變εcu,ec時FRP管的壓應力，其余為計算過程的中間參數；（3）對于判斷為長柱的，采用下式計算雙管組合柱的極限承載力：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，參數emax通過下列各式計算獲得：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...

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：姚諫，盧哲剛，金小群，許平，張行強，盛黎，
申請(專利權)人：浙江樹人大學，浙江大學，
類型：發明
國別省市：