本发明属于钢管混凝土框架技术领域,具体涉及解决钢管混凝土框架大偏心受压节点承载的方法。
背景技术:
现行“钢管混凝土结构技术规范(gb-50936-2014)”对钢管混凝土框架的大偏心受压柱承载的解决方法是通过加大钢管混凝土框架的直径和加厚钢管柱管壁厚度的方法来实现的,但是增大了钢管和混凝土的材料用量,使得建筑成本大大提高,且增大了钢管混凝土柱所占空间,以前很长时间我国和国外的技术规程都规定钢管混凝土柱仅适用于轴心受压和小偏心受压杆件,不能用于大偏心受压杆件,但鉴于钢管混凝土框架比钢筋混凝土框架具有便于施工,可以缩短施工工期,可以节约材料和节省投资等众多优点,如能在现有的技术上进行突破,在不加大钢管混凝土柱的直径和不加厚钢管柱管壁厚的情况下,使得钢管混凝土框架也能承受大偏心受压能力的特点,那么将大大减少工程材料和缩短工期。
技术实现要素:
本发明解决了钢管混凝土框架大偏心受压节点承载的问题,并给出了钢管混凝土框架大偏心受压节点承载的计算方法。
首先在没有工程先例的情况下以及没有相应的大偏心受压计算资料可作为参考的情况下,要将钢管混凝土框架结构作为大偏心受压杆件的问题上,首先要进行概念设计的可行性分析,为此将其与圆形钢筋混凝土框架柱相比较,圆形钢筋混凝土框架柱能承受大偏心受压荷载且有计算公式,而圆形钢管混凝土框架柱有封闭的钢管做钢管混凝土框架柱的外壁,其延性和混凝土强度都比圆形钢筋混凝土框架柱高;且整体性比圆形钢筋混凝土框架柱好;钢管管壁也起到圆形钢筋混凝土框架柱的竖向钢筋和箍筋的作用,相比之下钢管混凝土框架柱比圆形钢筋混凝土柱具有更多的优越性能,因此得出结论:钢管混凝土框架柱与圆形钢筋混凝土框架柱一样,完全可以承受大偏心受压荷载。
本发明技术方案如下:解决钢管混凝土框架大偏心受压节点承载的方法,主要措施就是在钢管混凝土框架结构的节点处柱内配置竖向钢筋,所述的竖向钢筋上端伸入到节点处框架梁梁面以上的距离l上与节点处的上层的层高h上应满足,
本发明通过在钢管混凝土柱的节点处增加竖向钢筋用以增加钢管混凝土框架在节点处的强度,由于钢管混凝土框架的大偏心受压的应力在节点处较为集中,故只需增加钢管混凝土框架在节点处的强度,在钢管混凝土框架的节点处插设竖向钢筋就能达到承载大偏心受压的目的,虽然《钢管混凝土结构技术规范》(gb50936-2014)没有提到竖向钢筋,但本发明在实际插设竖向钢筋应当符合《混凝土结构设计规范》(gb50010-2010),将竖向钢筋设置在保护层内,并竖向钢筋的两端进行弯折形成弯钩,具体操作过程可以参考该规范。
本发明的有益效果在于:给出了钢管混凝土框架结构适用大偏心受压承载的方法,让钢管混凝土框架结构适用大偏心受压成为可能,大大节省了建筑材料,节约了成本,相比原有的钢筋混凝土框架结构大大缩短了工期,节省了时间和大量投资。
附图说明
图1为大偏心受压节点大样图。
图2为图1中的1-1剖面示意图。
图3为圆形截面偏心受压钢管混凝土柱正截面受压承载力计算简图。
图4为矩形截面偏心受压钢管混凝土柱正截面受压承载力计算简图。
图5为图4中的矩形截面示意图。
具体实施方式
实施例1
本实施例钢管混凝土框架结构的钢管混凝土柱为圆形截面,混凝土柱内设有8根竖向钢筋,框架总高为65.3米,按上述公式计算在大偏心受压节点处的钢管混凝土柱内配置竖向钢筋,经节点荷载试验证明非常安全,该工程比常用的钢筋混凝土框架工程提前半年完工,节约了大量投资。
本实施例钢管混凝土框架结构的钢管柱为圆形,所述的竖向钢筋沿周边均匀配置在钢管混凝土柱内,该钢管混凝土框架结构于节点处正截面受压承载力应满足如下条件:
(1)
(2)
(3)αt=1.25-2α
(4)ei=e0+ea
(5)
a:圆形截面积,按半径r计算。
as:钢管管壁截面全部面积与均匀配置的竖向钢筋面积之和。
r:钢管外壁的半径。
rs:钢管管壁与所配置的竖向钢筋的合力所在圆周的半径,rs可通过力矩平衡方法计算求解。
e0:轴向压力对截面重心的偏心距。
ea:附加偏心距,按“混凝土结构设计规范(gb50010-2010)”第6.2.5条确定。
α:对应受压区混凝土截面面积的圆心角(rad)与2π的比值。
αt:竖向受拉钢管管壁截面积加上竖向受拉钢筋面积之和与全部钢管管壁截面积加上全部竖向钢筋面积之和的比值,当α≥0.625时,取αt=0。
m:作用于节点处的弯矩。
n:作用于节点处的轴向压力。
fsc:钢管混凝土实心圆形抗压强度设计值。
f:普通钢材的强度设计值。
根据工程实践和实验结果证明非常安全,但考虑到施工和材料方面不可预见的因素及其影响,可将计算结果的竖向钢筋截面积增大15%进行柱内的竖向钢筋配置,设计应遵守各有关技术规范的要求。
根据实际数值进行代入计算,求出所有竖向钢筋截面积之和的结果,计算过程不在赘述。
实施例2
本实施例钢管混凝框架结构的钢管柱为矩形,如图4所示。
因为矩形截面的钢管混凝土柱的刚度和受力条件远比圆形截面钢筋混凝土柱好的多,所以矩形截面的钢管混凝土框架更具有结构上的优势。
本实施例钢管混凝土框架结构的钢管柱为矩形,该钢管混凝土框架结构于节点处正截面受压承载力应满足如下条件:
所述的竖向钢筋在钢管混凝土框架的节点处柱内截面上为对称配筋。
(6)n≤α1fsc(b-2t)x+fy'as'-σsas-(σp0'-fpy')ap'-σpap
(7)ne≤α1fsc(b-2t)(h0-t-x/2)+fy′as'(h0-as')-(σp0'-fpy')ap'(h0-ap')
(8)e=ei+h/2-a
(9)ei=e0+ea
(10)x≤ξbh0
(11)x≥2a'
当计算中计入纵向受压普通钢筋和钢管参与计算的部分管壁截面时,受压区高度应满足公式(11)的条件;当不满足此条件时,其正截面受压承载力可按如下公式计算:
(12)nes'≤fpyap(h-ap-as')+fyas(h-as-as')+(σp0'-fpy')ap'(ap'-as')
n:作用于节点处的轴向压力。
t:钢管管壁厚度。
α1:系数,当混凝土强度等级不超过c50时,α1取1.0,当混凝土强度等级为c80时,α1取0.94,其间按线性内插法确定。
fsc:实心钢管混凝土抗压强度设计值。
b:矩形截面的宽度。
h:矩形截面的高度。
h0:截面有效高度。
as、as':受拉区、受压区竖向普通钢筋与钢管参与计算的部分管壁截面积之和。
fy'、fpy':竖向普通钢筋(包括钢管管壁)、预应力筋抗压强度设计值,按“混凝土结构设计规范(gb50010-2010)”表4.2.3-1、表4.2.3-2采用。
ap、ap':受拉区、受压区纵向预应力筋的截面积。
as'、ap':受压区纵向普通钢筋与钢管参与计算的部分管壁截面积的合力点、预应力筋合力点至截面受压边缘的距离。
a':受压区全部纵向钢筋(包括钢管部分管壁截面积和预应力筋)合力点至截面受压边缘的距离,当受压区未配置纵向预应力筋或受压区纵向预应力筋应力(σp0'-fpy')为拉力时,公式(11)中a'用as'代替。
σp0':受压区纵向预应力筋合力点混凝土法向应力等于零时的预应力筋应力。
a:纵向受拉普通钢筋、钢管参与计算的部分管壁截面积以及受拉预应力筋的合力点至截面近边缘的距离。
as:受拉区纵向普通钢筋和钢管参与计算的部分管壁截面积的合力点至截面受拉边缘的距离。
ap:受拉区预应力筋合力点至截面受拉边缘的距离。
σs:受拉边的纵向普通钢筋(包括钢管管壁)或受压较小边的纵向普通钢筋(包括钢管管壁)的应力。
σp:预应力筋的应力。
e:轴向压力作用点至纵向受拉普通钢筋和受拉的钢管参与计算的部分管壁截面积以及受拉预应力筋的合力点的距离。
ei:初始偏心距。
e0:轴向压力对截面重心的偏心距,取为m/n,当需要考虑二阶效应时,弯矩m为按上述混凝土结构设计规范(gb50010-2010)第5.3.4条、第6.2.4条规定确定的弯矩设计值。
ea:附加偏心距,其值应取20毫米和偏心方向截面最大尺寸的1/30两者中的较大值。
x:混凝土受压区高度。
h:矩形、方形钢管管壁两侧参与计算的高度,取h=h/6,钢管管壁参与受压、受拉的计算截面积均为(b+2h)t。
es':轴向压力作用点至受压区纵向普通钢筋及钢管参与计算的部分管壁截面的合力点的距离,即
fy:普通钢筋(包括钢管管壁)抗拉强度设计值,按上述规范(gb50010-2010)表4.2.3-1采用。
按上述钢管矩形截面柱的规定进行计算时,尚应符合下列要求:
钢筋和钢管管壁截面的应力σs、σp可按下列情况确定:
当ξ不大于ξb时为大偏心受压构件,取σs为fy、σp为fpy,此处,ξ为相对受压区高度,取为x/h0,ξb为纵向受拉钢筋屈服与受压区混凝土破坏同时发生时的相对界限受压区高度,ξb按上述规范(gb50010-2010)第6.2.7条确定。
fpy为预应力筋抗拉强度设计值。
当ξ大于ξb时为小偏心受压构件,σs、σp的数值按上述规范(gb50010-2010)第6.2.8条的规定进行计算。
对于矩形、正方形截面非对称配筋的钢管混凝土小偏心受压构件,当轴向压力n大于钢管混凝土受压区混凝土所能承受的最大压力时,这方面的计算可以适当调整变换公式便可以得到解决,由于通常矩形截面的钢筋混凝土框架柱均采用对称配筋,钢管混凝土框架柱也是采用对称配筋的方式配置节点处柱内的竖向钢筋,所以这里不再赘述这方面的计算内容。
根据工程实践和实验结果证明很安全,但考虑到施工和材料方面不可预见的因素及其影响,可将计算结果的竖向钢筋截面积增大15%进行柱内的竖向钢筋配置,设计应遵守各有关技术规范的要求。
根据实际数值进行代入计算,求出所有竖向钢筋截面积之和的结果,计算过程不在赘述。
其他截面钢管混凝土大偏心受压构件也可参考以上圆形、矩形的计算内容,进行大偏心受压计算。
本发明的有益效果在于:给出了钢管混凝土框架结构适用大偏心受压承载的方法,并可以通过计算在大偏心受压节点处的钢管混凝土框架结构内配置竖向钢筋的方法,让钢管混凝土框架结构适用大偏心受压成为可能,大大节省了建筑材料,节约了成本,相比原有的钢筋混凝土框架结构大大缩短了工期,节省了时间,节省了大量投资。