本發(fā)明涉及鋼構(gòu)件設(shè)計領(lǐng)域，具體涉及一種折疊房屋的新型外包輕質(zhì)混凝土箱柱設(shè)計方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、隨著社會的進(jìn)步，我國住宅建設(shè)面積不斷增加。在推動綠色建筑開發(fā)的影響下，住宅作為在建筑體量中排名第一的類型，其采用綠色裝配形式顯得尤為重要。另一方面，鋼結(jié)構(gòu)建筑在結(jié)構(gòu)特點、制造和施工技術(shù)、施工工藝等方面都具有裝配化的特點。因此，有必要對鋼結(jié)構(gòu)住宅進(jìn)行分析和研究，以促進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)住宅的建設(shè)。

2、普通鋼結(jié)構(gòu)因其重量輕、強(qiáng)度高、韌性好等優(yōu)點在建筑中得到廣泛應(yīng)用，由于鋼構(gòu)件的耐腐蝕性和耐火性較差，在實際結(jié)構(gòu)中使用鋼構(gòu)件需采取必要的保護(hù)措施；通過系統(tǒng)的調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，雖然阻礙鋼結(jié)構(gòu)住宅產(chǎn)業(yè)化推廣的外部因素有很多，但防火、防腐蝕等防護(hù)材料不能與主體結(jié)構(gòu)同壽命是影響鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的重要原因之一。由此可見，鋼結(jié)構(gòu)建成后需要定期維護(hù)，后期維護(hù)成本較高且不便處理。此外，常用的防護(hù)材料（如防火涂料、防火板等）力學(xué)性能較差，在地震發(fā)生時，鋼結(jié)構(gòu)上涂覆的防火涂料和防火板在往復(fù)荷載作用下易發(fā)生開裂、損壞甚至脫落，對鋼構(gòu)件防火保護(hù)的有效性有很大影響。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、在鋼結(jié)構(gòu)中，鋼柱是重要的受力構(gòu)件，如果鋼柱出現(xiàn)問題，對整個結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能會產(chǎn)生很大的影響。因此，為避免和解決上述背景中的技術(shù)問題，本發(fā)明提出一種新型外包輕質(zhì)混凝土箱型鋼柱（hollow?steel?lightweight?concrete?column，簡稱hslcc）的設(shè)計方法及系統(tǒng)。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種折疊房屋的新型外包輕質(zhì)混凝土箱柱設(shè)計方法，步驟包括：

3、構(gòu)建外包輕質(zhì)混凝土箱型鋼柱的承載力分析有限元模型，并基于所述承載力分析有限元模型，對箱型鋼柱進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)分析，得到承載力；所述結(jié)構(gòu)參數(shù)包括：輕質(zhì)混凝土厚度、寬厚比和輕質(zhì)混凝土與箱型鋼柱粘結(jié)程度；

4、構(gòu)建外包輕質(zhì)混凝土箱型鋼柱的傳熱性能分析有限元模型，基于所述傳熱性能分析有限元模型，對箱型鋼柱進(jìn)行傳熱性能分析，得到傳熱性能；

5、基于所述結(jié)構(gòu)參數(shù)和所述傳熱性能，完成新型外包輕質(zhì)混凝土箱柱的設(shè)計。

6、優(yōu)選的，對所述輕質(zhì)混凝土厚度進(jìn)行分析的方法包括：采用純箱型鋼柱試件外包不同厚度的輕質(zhì)混凝土，來分析輕質(zhì)混凝土厚度對純箱型鋼柱試件力學(xué)性能的影響；其中，所述純箱型鋼柱試件包括純長鋼柱和純短鋼柱，所述純長鋼柱和純短鋼柱具有相同的寬厚比，但試件高度不同。

7、優(yōu)選的，對所述寬厚比進(jìn)行分析的方法包括：通過對不同寬厚比、相同輕質(zhì)混凝土厚度的外包輕質(zhì)混凝土箱柱試件進(jìn)行軸壓分析，提取出外包輕質(zhì)混凝土箱柱試件的荷載位移曲線、屈曲荷載和極限荷載，分析所述寬厚比對于外包輕質(zhì)混凝土箱柱的軸向承載力的影響。

8、優(yōu)選的，對所述輕質(zhì)混凝土與箱型鋼柱粘結(jié)程度進(jìn)行分析的方法包括：通過選取輕質(zhì)混凝土與內(nèi)置箱型鋼柱的接觸界面之間不同的摩擦系數(shù)，體現(xiàn)兩者的粘結(jié)程度；并選取相同寬厚比、不同輕質(zhì)混凝土厚度、不同摩擦系數(shù)狀態(tài)下的外包輕質(zhì)混凝土箱柱試件，對所述輕質(zhì)混凝土與箱型鋼柱粘結(jié)程度進(jìn)行分析。

9、優(yōu)選的，基于所述輕質(zhì)混凝土厚度、所述寬厚比和所述輕質(zhì)混凝土與箱型鋼柱粘結(jié)程度，得到承載力的計算公式包括：

10、，

11、式中， n cr為承載力；為穩(wěn)定系數(shù)； f c、 f y均為輕質(zhì)混凝土抗壓強(qiáng)度和鋼構(gòu)件抗壓強(qiáng)度設(shè)計值； a、a s均為構(gòu)件截面面積和鋼構(gòu)件截面面積。

12、優(yōu)選的，通過構(gòu)建所述傳熱性能分析有限元模型，對箱型鋼柱進(jìn)行傳熱性能分析，得到輕質(zhì)混凝土箱型鋼柱的傳熱系數(shù)公式：

13、，

14、式中， k表示傳熱系數(shù)； t表示輕質(zhì)混凝土厚度； e表示自然常數(shù)。

15、本發(fā)明還提供了一種折疊房屋的新型外包輕質(zhì)混凝土箱柱設(shè)計系統(tǒng)，所述系統(tǒng)用于實現(xiàn)上述方法，包括：承載力模型構(gòu)建模塊、傳熱性能模型構(gòu)建模塊和設(shè)計模塊；

16、所述承載力模型構(gòu)建模塊用于構(gòu)建外包輕質(zhì)混凝土箱型鋼柱的承載力分析有限元模型，并基于所述承載力分析有限元模型，對箱型鋼柱進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)分析，得到承載力；所述結(jié)構(gòu)參數(shù)包括：輕質(zhì)混凝土厚度、寬厚比和輕質(zhì)混凝土與箱型鋼柱粘結(jié)程度；

17、所述傳熱性能模型構(gòu)建模塊用于構(gòu)建外包輕質(zhì)混凝土箱型鋼柱的傳熱性能分析有限元模型，基于所述傳熱性能分析有限元模型，對箱型鋼柱進(jìn)行傳熱性能分析，得到傳熱性能；

18、所述設(shè)計模塊用于基于所述結(jié)構(gòu)參數(shù)和所述傳熱性能，完成新型外包輕質(zhì)混凝土箱柱的設(shè)計。

19、優(yōu)選的，對所述輕質(zhì)混凝土厚度進(jìn)行分析的流程包括：采用純箱型鋼柱試件外包不同厚度的輕質(zhì)混凝土，來分析輕質(zhì)混凝土厚度對純箱型鋼柱試件力學(xué)性能的影響；其中，所述純箱型鋼柱試件包括純長鋼柱和純短鋼柱，所述純長鋼柱和純短鋼柱具有相同的寬厚比，但試件高度不同。

20、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果如下：

21、本發(fā)明的設(shè)計方法既能實現(xiàn)與鋼柱同使用壽命，很好的保護(hù)內(nèi)置箱型鋼柱，提高結(jié)構(gòu)的耐火性和耐久性，克服鋼材的弱點，還能通過外包保護(hù)層改善鋼柱的力學(xué)性能，減小箱型鋼柱發(fā)生局部屈曲變形的可能性，保留傳統(tǒng)鋼柱易于裝配的特點，具有重要的研究意義和良好的應(yīng)用前景。

技術(shù)特征：

1.一種折疊房屋的新型外包輕質(zhì)混凝土箱柱設(shè)計方法，其特征在于，步驟包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的折疊房屋的新型外包輕質(zhì)混凝土箱柱設(shè)計方法，其特征在于，對所述輕質(zhì)混凝土厚度進(jìn)行分析的方法包括：采用純箱型鋼柱試件外包不同厚度的輕質(zhì)混凝土，以分析輕質(zhì)混凝土厚度對純箱型鋼柱試件力學(xué)性能的影響；其中，所述純箱型鋼柱試件包括純長鋼柱和純短鋼柱，所述純長鋼柱和純短鋼柱具有相同的寬厚比，但試件高度不同。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的折疊房屋的新型外包輕質(zhì)混凝土箱柱設(shè)計方法，其特征在于，對所述寬厚比進(jìn)行分析的方法包括：通過對不同寬厚比、相同輕質(zhì)混凝土厚度的外包輕質(zhì)混凝土箱柱試件進(jìn)行軸壓分析，提取出外包輕質(zhì)混凝土箱柱試件的荷載位移曲線、屈曲荷載和極限荷載，分析所述寬厚比對于外包輕質(zhì)混凝土箱柱的軸向承載力的影響。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的折疊房屋的新型外包輕質(zhì)混凝土箱柱設(shè)計方法，其特征在于，對所述輕質(zhì)混凝土與箱型鋼柱粘結(jié)程度進(jìn)行分析的方法包括：通過選取輕質(zhì)混凝土與內(nèi)置箱型鋼柱的接觸界面之間不同的摩擦系數(shù)，體現(xiàn)兩者的粘結(jié)程度；并選取相同寬厚比、不同輕質(zhì)混凝土厚度、不同摩擦系數(shù)狀態(tài)下的外包輕質(zhì)混凝土箱柱試件，對所述輕質(zhì)混凝土與箱型鋼柱粘結(jié)程度進(jìn)行分析。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的折疊房屋的新型外包輕質(zhì)混凝土箱柱設(shè)計方法，其特征在于，基于所述輕質(zhì)混凝土厚度、所述寬厚比和所述箱型鋼柱粘結(jié)程度，得到承載力的計算公式包括：

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的折疊房屋的新型外包輕質(zhì)混凝土箱柱設(shè)計方法，其特征在于，通過構(gòu)建所述傳熱性能分析有限元模型，對箱型鋼柱進(jìn)行傳熱性能分析，得到外包輕質(zhì)混凝土箱型鋼柱的傳熱系數(shù)公式：

7.一種折疊房屋的新型外包輕質(zhì)混凝土箱柱設(shè)計系統(tǒng)，所述系統(tǒng)用于實現(xiàn)權(quán)利要求1-6任一項所述的方法，其特征在于，包括：承載力模型構(gòu)建模塊、傳熱性能模型構(gòu)建模塊和設(shè)計模塊；

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的折疊房屋的新型外包輕質(zhì)混凝土箱柱設(shè)計系統(tǒng)，其特征在于，對所述輕質(zhì)混凝土厚度進(jìn)行分析的流程包括：采用純箱型鋼柱試件外包不同厚度的輕質(zhì)混凝土，來分析輕質(zhì)混凝土厚度對純箱型鋼柱試件力學(xué)性能的影響；其中，所述純箱型鋼柱試件包括純長鋼柱和純短鋼柱，所述純長鋼柱和純短鋼柱具有相同的寬厚比，但試件高度不同。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種折疊房屋的新型外包輕質(zhì)混凝土箱柱設(shè)計方法及系統(tǒng)，涉及鋼構(gòu)件設(shè)計領(lǐng)域，其中方法包括：構(gòu)建外包輕質(zhì)混凝土箱型鋼柱的承載力分析有限元模型，并基于承載力分析有限元模型，對箱型鋼柱進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)分析，得到承載力；構(gòu)建外包輕質(zhì)混凝土箱型鋼柱的傳熱性能分析有限元模型，基于傳熱性能分析有限元模型，對箱型鋼柱進(jìn)行傳熱性能分析，得到傳熱性能；基于結(jié)構(gòu)參數(shù)和傳熱性能，完成新型外包輕質(zhì)混凝土箱柱的設(shè)計。本發(fā)明既能實現(xiàn)與鋼柱同使用壽命，很好的保護(hù)內(nèi)置箱型鋼柱，提高結(jié)構(gòu)的耐火性和耐久性，克服鋼材的弱點，還能通過外包保護(hù)層改善鋼柱的力學(xué)性能，減小箱型鋼柱發(fā)生局部屈曲變形的可能性，保留傳統(tǒng)鋼柱易于裝配的特點。

技術(shù)研發(fā)人員：楊濤春,李俊儒,牟洋,李潔瓊,劉鑫,郭致利,田鑫,劉清海
受保護(hù)的技術(shù)使用者：濟(jì)南大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19