[发明专利]一种钢管混凝土柱-钢梁穿心螺栓连接节点抗弯承载力和弯矩-转角曲线的计算方法

权利要求书

1.一种钢管混凝土柱-钢梁穿心螺栓连接节点抗弯承载力的计算方法，其特征在于，所述的计算方法适用于四种连接类型的钢管混凝土柱-钢梁穿心螺栓连接节点：非加劲外伸端板穿心螺栓连接节点、加劲外伸端板穿心螺栓连接节点、平齐端板穿心螺栓连接节点以及T形件穿心螺栓连接节点；计算过程包括如下步骤：

1)计算当发生端板或T形件翼缘受弯破坏时节点的抗弯承载力：

首先计算四种连接类型节点的屈服线参数：

对于非加劲外伸端板穿心螺栓连接节点，屈服线参数L₁按下式计算：

其中，b_p表示端板宽度；h₁表示第一排螺栓到受压翼缘下表面的距离；h₂表示第二排螺栓到受压翼缘下表面的距离；p_fi表示第二排螺栓形心到受拉翼缘下表面的距离；p_fe表示第一排螺栓形心到受拉翼缘上表面的距离；g表示螺栓之间的列距；表示第二排螺栓的形心到屈服线边缘的距离；

对于加劲外伸端板穿心螺栓连接节点，当d_e≤s时，屈服线参数L₂按下式计算：

其中，d_e表示第一排螺栓形心到端板外边缘的距离；

当d_e≥s时，则屈服线参数L₂按下式计算：

对于平齐端板穿心螺栓连接节点，当受拉区只有一排螺栓时，屈服线参数L₃按下式计算：

当受拉区有两排螺栓时，屈服线参数L₃按下式计算：

其中，p表示两排螺栓之间的行距；

对于T形件穿心螺栓连接节点，屈服线参数L₄按下式计算：

然后，将上面计算得到的节点的屈服线参数L代入式(7)，得到当各连接类型发生端板或T形件翼缘受弯破坏时节点的抗弯承载力M_ep：

M_ep＝f_yt_ep²L (7)

式中，f_y为端板的屈服强度，t_ep为端板或T形件翼缘的厚度，L为各连接类型的屈服线参数，即L₁、L₂、L₃或L₄；

2)计算当发生穿心螺栓受拉破坏时节点的抗弯承载力：

当节点发生穿心螺栓受拉破坏时，对于采用端板穿心螺栓连接的节点，抗弯承载力按下式计算：

M_bo＝n_t·min(0.9f_ubA_s,0.48πd_mt_epf_up)·(h_b-t_bf) (8)

对于采用T形件穿心螺栓连接节点，抗弯承载力按下式计算：

M_bo＝n_t·min(0.9f_ubA_s,0.48πd_mt_epf_up)·(h_b+t_bf) (9)

式中，n_t为受拉区螺栓个数；f_ub为螺栓的抗拉极限强度，A_S为螺栓的有效受拉面积，d_m为螺栓的名义直径，h_b为钢梁高度；t_bf为梁翼缘厚度；f_up为端板或T形件翼缘的极限抗拉强度；

3)计算当发生节点域受剪破坏时节点的抗弯承载力：

当节点发生节点域受剪破坏时，对于采用端板穿心螺栓连接的节点，抗弯承载力按下式计算：

对于采用T形件穿心螺栓连接节点，抗弯承载力按下式计算：

式中，f_y,cw为钢管混凝土柱中钢管腹板的屈服强度；A_vc为钢管混凝土柱中钢管腹板抗剪截面面积；ν为钢管混凝土柱中钢管承受的轴力对承载力的影响系数；A_c为钢管混凝土柱中核心混凝土的截面面积；f_cd为核心混凝土圆柱体抗压强度设计值；α为节点域斜边的倾角；

其中，钢管混凝土柱中的轴力对承载力的影响系数ν根据下式计算：

式中，N为钢管混凝土柱的设计轴力，N_u为钢管混凝土柱的极限抗压承载力；

节点域斜边的倾角α根据下式计算：

α＝arctan[(w_c-2t_cf)/z] (13)

式中，w_c为钢管混凝土柱的宽度；t_cf为钢管混凝土柱钢管翼缘的厚度；z为节点抗弯力臂长度，对于端板穿心螺栓连接其值为(h_b-t_bf)，对于T形件穿心螺栓连接其值为(h_b+t_bf)；

4)计算当发生柱横向受压破坏时节点的抗弯承载力：

当节点发生柱横向受压破坏时，对于采用端板穿心螺栓连接的节点，抗弯承载力按下式计算：

M_c＝[2ωρk_cwb_eff,cwt_cwf_y,cw+0.85k_cb_eff,c(d_c-2t_cw)f_cd]·(h_b-t_bf) (14)

对于采用T形件穿心螺栓连接的节点，抗弯承载力按下式计算：

M_c＝[2ωρk_cwb_eff,cwt_cwf_y,cw+0.85k_cb_eff,c(d_c-2t_cw)f_cd]·(h_b+t_bf) (15)

式中，ω为节点域剪力对钢管混凝土柱中钢管腹板横向受压承载力的影响系数；ρ为考虑钢管混凝土柱中钢管腹板屈曲时的影响系数；k_cw和k_c分别为钢管混凝土柱中的轴力对钢管混凝土柱中钢管腹板和核心混凝土横向受压承载力的影响系数；b_eff,cw和b_eff,c分别为钢管混凝土柱中钢管和核心混凝土横向受压的有效宽度；d_c为钢管混凝土柱的截面高度；t_cw为钢管混凝土柱中钢管的腹板厚度；

其中，节点域剪力对钢管混凝土柱中钢管腹板横向受压承载力的影响系数ω根据下式计算：

考虑钢管混凝土柱中钢管腹板屈曲时的影响系数ρ根据下式计算：

式中，λ为钢管混凝土柱中钢管腹板的相对长细比；当钢管采用轧制截面时，t为轧制钢管的圆角半径，当钢管采用焊接时，t为钢管焊缝的焊脚尺寸；E为钢管的弹性模量；

钢管混凝土柱中的轴力对钢管混凝土柱中钢管腹板和核心混凝土横向受压承载力的影响系数k_cw、k_c根据下式计算：

式中，σ_col为钢管混凝土柱中钢管中的轴向应力，σ_c为核心混凝土的轴向应力；

钢管混凝土柱中钢管和核心混凝土横向受压的有效宽度b_eff,cw、b_eff,c根据下式计算：

式中，h_e为钢梁翼缘与端板的焊缝有效高度；s_p为横向压力沿端板扩散的宽度，最小为端板厚度，最大不超过2倍的端板厚度；

5)计算当发生钢梁形成塑性铰时节点的抗弯承载力：

当节点发生钢梁形成塑性铰破坏时，节点的抗弯承载力按下式计算：

M_b＝f_ybW_p (22)

式中，f_yb为钢梁的屈服强度，W_p为钢梁的塑性截面模量；

6)计算节点的实际抗弯承载力及破坏模式：

以上计算得到的五种破坏模式的节点抗弯承载力中的最小值即为节点的实际抗弯承载力，对应的破坏模式即为节点的实际破坏模式，即：

M_u＝min(M_ep,M_bo,M_pz,M_c,M_b) (23)。

2.一种钢管混凝土柱-钢梁穿心螺栓连接节点弯矩-转角曲线的计算方法，其特征在于，采用权利要求1所述的计算方法获得的M_u构建弯矩M与转角θ曲线的数学模型：

式中，S_j为节点初始转动刚度，通过试验或数值模拟或理论计算得到；所述的钢管混凝土柱-钢梁穿心螺栓连接节点弯矩-转角曲线的计算方法适用于四种连接类型的钢管混凝土柱-钢梁穿心螺栓连接节点：非加劲外伸端板穿心螺栓连接节点、加劲外伸端板穿心螺栓连接节点、平齐端板穿心螺栓连接节点以及T形件穿心螺栓连接节点。