專利名稱：Frp管-混凝土-鋼管組合柱的設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種新型組合構(gòu)件的設(shè)計(jì)方法。更具體地說，本發(fā)明涉及一種用于FRP管-混凝土 -鋼管組合柱(簡(jiǎn)稱雙管組合柱)的設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和建筑行業(yè)的不斷進(jìn)步，充分利用新型FRP (纖維增強(qiáng)塑料,Fiber Reinforced Plastics)復(fù)合材料與傳統(tǒng)建筑材料(如混凝土)特點(diǎn)的組合構(gòu)件已經(jīng)成為工程應(yīng)用中的一種趨勢(shì)。FRP是一種新型高級(jí)復(fù)合材料，力學(xué)性能優(yōu)良，化學(xué)穩(wěn)定性更好。FRP的抗拉強(qiáng)度很高，至少是建筑鋼材的兩倍，其中常用的CFRP (碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料)可高達(dá)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(qiáng)，能阻隔電磁輻射，耐久性好。CFRP的抗疲勞能力也優(yōu)于建筑鋼材。因此，在混凝土構(gòu)件中結(jié)合利用新型FRP復(fù)合材料比采用鋼管等其他傳統(tǒng)材料具有更明顯的優(yōu)勢(shì)。 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(gòu)件，由外部FRP管、內(nèi)部鋼管及中間填充的混凝土共同組成。構(gòu)件的截面可根據(jù)實(shí)際受力情況具有多種不同形式。由于充分發(fā)揮FRP復(fù)合材料、混凝土、鋼材各自的特點(diǎn)，該雙管組合柱具有一些其他構(gòu)件無法比擬的特點(diǎn)。如FRP管不易發(fā)生局部屈曲，其約束作用使構(gòu)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(gòu)件發(fā)生脆性破壞的作用，同時(shí)FRP管具有較強(qiáng)的耐腐蝕性能，在施工中可作為混凝土澆筑的永久模板；構(gòu)件內(nèi)部的鋼管的存在，使構(gòu)件能承受部分施工時(shí)的荷載，也更加便于梁柱節(jié)點(diǎn)或與基礎(chǔ)的連接；構(gòu)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(nèi)徑與外徑之比)通?？扇. 6^0. 8，大大減輕了構(gòu)件自身的質(zhì)量。已有試驗(yàn)表明，軸壓構(gòu)件的約束混凝土承載力可提高:Γ4倍。純彎構(gòu)件在承載力下降很小的情況下，跨中撓度可達(dá)跨度的1/15。這些優(yōu)點(diǎn)，表明該雙管組合柱具有非常好的應(yīng)用前景。但是，在實(shí)際的工程設(shè)計(jì)應(yīng)用中，仍存在如下問題在制作雙管組合柱的時(shí)候，尚沒有準(zhǔn)確的指導(dǎo)方法告訴技術(shù)人員應(yīng)該如何確定其各項(xiàng)參數(shù)，導(dǎo)致對(duì)雙管組合柱的極限承載力是否能滿足工程構(gòu)件的應(yīng)用要求無法預(yù)計(jì)。進(jìn)而造成盲目設(shè)計(jì)、盲目制作和盲目施工應(yīng)用，最終給工程構(gòu)件質(zhì)量造成潛在危害。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種FRP管-混凝土-鋼管組合柱的設(shè)計(jì)方法，使得雙管組合柱的設(shè)計(jì)、制作人員獲得必要的準(zhǔn)確的建議。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。本發(fā)明提供了一種FRP管-混凝土 -鋼管組合柱的設(shè)計(jì)方法，所述組合柱是指由外部的FRP管、內(nèi)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(shè)計(jì)方法是在已知將要使用該雙管組合柱的工程構(gòu)件的內(nèi)力值的情況下，準(zhǔn)確評(píng)價(jià)雙管組合柱的極限承載力是否滿足工程構(gòu)件的應(yīng)用要求；
定義用以描述雙管組合柱的參數(shù)如下構(gòu)件長(zhǎng)度用L表示；FRP管內(nèi)外徑分別為D和Df，軸壓、環(huán)拉彈性模量分別為Exc;，rff、Eet，rff，實(shí)際環(huán)向斷裂應(yīng)變?chǔ)?;中間混凝土無約束和約束下峰值強(qiáng)度分別f。。、f。。，無約束下峰值強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的應(yīng)變?yōu)棣?。。，初始彈性模量為Ε。，純彎下的極限壓應(yīng)變?yōu)棣?。_ ;內(nèi)部鋼管外徑和厚度分別為Ds、ts，屈服強(qiáng)度為fy，彈性模量為Es。構(gòu)件兩端荷載偏心距為ei、e2,并且約定e2永遠(yuǎn)取正值且絕對(duì)值大于ei ；該方法具體包括以下步驟(I)對(duì)于給定的雙管組合柱，根據(jù)界限長(zhǎng)細(xì)比計(jì)算公式判斷雙管組合柱屬于短柱或者長(zhǎng)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(huán)向斷裂應(yīng)變比(era/e。。)，η為考慮空心率x (=DS/D)影響的修正參數(shù)，采用下式計(jì)算=(1-ζΓ16如果設(shè)計(jì)構(gòu)件的L/D計(jì)算值小于界限長(zhǎng)細(xì)比(L/D) 即為短柱，反之則為長(zhǎng)柱；(2)對(duì)于判斷為短柱的，采用下式計(jì)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^f
InInο
2Γsin"(^) , sin'(^6> ) Sin(^)Isin(W1) 5 σ(Α(Κ
MuHecAR ^^^~- +/AA~——-~l +
3πππο π式中，Mu、Nu為偏心距e2下構(gòu)件的極限承載力，R和Rs為對(duì)應(yīng)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(qū)混凝土等效矩形應(yīng)力圖高度對(duì)應(yīng)FRP管和鋼管的圓心角；參數(shù)αι、Θ。、0t、0f、0f、mf分別按如下計(jì)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(shí)約束混凝土的極限壓應(yīng)變和極限強(qiáng)度，α 為約束混凝土的平均應(yīng)力系數(shù)，而of為達(dá)到應(yīng)變^爿時(shí)FRP管的壓應(yīng)力，其余為計(jì)算過程的中間參數(shù)；
(3)對(duì)于判斷為長(zhǎng)柱的，采用下式計(jì)算雙管組合柱的極限承載力
權(quán)利要求
1.一種FRP管-混凝土 -鋼管組合柱的設(shè)計(jì)方法，所述組合柱是指由外部的FRP管、內(nèi)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(shè)計(jì)方法是在已知將要使用該雙管組合柱的工程構(gòu)件的內(nèi)力值的情況下，準(zhǔn)確評(píng)價(jià)雙管組合柱的極限承載力是否滿足工程構(gòu)件的應(yīng)用要求； 定義用以描述雙管組合柱的參數(shù)如下構(gòu)件長(zhǎng)度用L表示；FRP管內(nèi)外徑分別為D和Df，軸壓、環(huán)拉彈性模量分別為EXyff、Eet，rff，實(shí)際環(huán)向斷裂應(yīng)變?chǔ)?;中間混凝土無約束和約束下峰值強(qiáng)度分別f。。、f。。，無約束下峰值強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的應(yīng)變?yōu)棣?。。，初始彈性模量為Ε。，純彎下的極限壓應(yīng)變?yōu)棣?。_ ;內(nèi)部鋼管外徑和厚度分別為Ds、ts，屈服強(qiáng)度為fy，彈性模量為Es ;構(gòu)件兩端荷載偏心距為ei、e2,并且約定e2永遠(yuǎn)取正值且絕對(duì)值大于ei ； 該方法具體包括以下步驟 (1)對(duì)于給定的雙管組合柱，根據(jù)界限長(zhǎng)細(xì)比計(jì)算公式判斷雙管組合柱屬于短柱或者長(zhǎng)柱
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的設(shè)計(jì)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(jù)權(quán)利要求I所述的設(shè)計(jì)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(nèi)取值。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述鋼管的徑厚比(Ds/ts)小于70。
5.根據(jù)權(quán)利要求I至4任意一項(xiàng)所述的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述構(gòu)件FRP用量和構(gòu)件長(zhǎng)細(xì)比采用以下公式進(jìn)行限制
全文摘要
本發(fā)明涉及新型組合構(gòu)件的設(shè)計(jì)方法，旨在提供用于FRP管-混凝土-鋼管組合柱(簡(jiǎn)稱雙管組合柱)的設(shè)計(jì)方法。該設(shè)計(jì)方法是在已知將要使用該雙管組合柱的工程構(gòu)件的內(nèi)力值的情況下，準(zhǔn)確評(píng)價(jià)雙管組合柱的極限承載力是否滿足工程構(gòu)件的應(yīng)用要求。本發(fā)明首次提出了用于計(jì)算雙管組合柱正截面受壓承載力的設(shè)計(jì)公式，結(jié)合已有的斜截面受剪承載力公式，能夠較為準(zhǔn)確且偏于安全地用于設(shè)計(jì)。公式考慮了偏心荷載下FRP管對(duì)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(xù)性。本發(fā)明對(duì)FRP管用量和構(gòu)件長(zhǎng)細(xì)比范圍提出建議，使構(gòu)件設(shè)計(jì)中材料的性能得到充分利用。
文檔編號(hào)E04C3/34GK102912936SQ201210393628
公開日2013年2月6日 申請(qǐng)日期2012年10月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月16日
發(fā)明者姚諫, 盧哲剛, 金小群, 許平, 張行強(qiáng), 盛黎 申請(qǐng)人:浙江樹人大學(xué), 浙江大學(xué)