CN104318014A - 一种二元法模拟钢和混凝土组合构件的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于建筑结构计算分析和施工技术领域，具体为一种二元法模拟钢和混凝土组合构件的计算方法，包括如下步骤，第一步：首先在CAD中建立结构的三维单线模型；第二步：定义结构的材料和杆件属性；第三步：根据计算需要，定于混凝土材料属性与时间的关系函数；第四步：定义结构非线性施工过程分析数据；第五步：在施工过程分析最终步，进行结构计算和构件验算；第六步：验算后强度、刚度不满足设计要求的构件，进行调整，之后重新进行计算分析和构件验算，直至结构满足设计要求。本发明较为准确的模拟混凝土材料随时间进展而逐步具备刚度和强度，并参与结构受力的过程。

Description

一种二元法模拟钢和混凝土组合构件的计算方法

技术领域

本发明属于建筑结构计算分析和施工技术领域，具体为一种二元法模拟钢和混凝土组合构件的计算方法。

背景技术

钢和混凝土组合材料具有承载力高、塑性和韧性好、节省材料、方便施工等特点，同时具备钢材和混凝土材料的优点。近十几年来，钢—混凝土组合材料构件在建筑结构领域得到了大量应用，技术日益成熟，多用于高层、超高层、大跨空间结构和异形结构中，并取得了良好的效益。

钢和混凝土组合构件由钢材和混凝土材料组合而成，是一种复合材料。一般结构设计时，直接以各组成部分材料的设计强度和弹性模量定义组合材料的材料属性，并进行截面设计，结构的变形、内力等均为不考虑混凝土成型过程的条件下得出。但在施工过程中，组合材料中的混凝土材料，刚浇筑时为流塑状态，不具备刚度和强度，随着时间进展，逐步具有一定刚度和强度，并逐步参与结构作用。这种计算假定方面的差异，导致组合结构实际施工完成后的结构内力和变形，与仅按照设计强度计算的结果有较大差异，特别当结构类型为异形结构，构件为倾斜设置时，尤为明显。而由于混凝土材料强度和弹性模量形成过程受多种因素，如温度、养护条件等影响， 以及计算软件的实现手段方面的困难，现有计算软件均无法考虑施工过程中，混凝土材料逐步具备刚度和强度的实际情况。

基于上述现状，本申请人提供一种二元法模拟钢和混凝土组合构件的计算方法，本案由此产生。

发明内容

本发明的目的在于提供一种二元法模拟钢和混凝土组合构件的计算方法，模拟组合构件中钢结构构件、混凝土部分的先后施工顺序，以及混凝土从浇筑起逐步具有刚度和强度，逐步参与结构受力的过程。

为实现上述目的，本发明提供的具体技术方案为：一种二元法模拟钢和混凝土组合构件的计算方法，包括如下步骤，

第一步：首先在CAD中建立结构的三维单线模型；

第二步：定义结构的材料和杆件属性；

第三步：根据计算需要，定于混凝土材料属性与时间的关系函数；

第四步：定义结构非线性施工过程分析数据；

第五步：在施工过程分析最终步，进行结构计算和构件验算；

第六步：验算后强度、刚度不满足设计要求的构件，进行调整，之后重新进行计算分析和构件验算，直至结构满足设计要求；

第七步：进入施工图设计阶段，绘制施工图，细化节点。

进一步，所述步骤二，组合材料构件分别根据构件中钢结构部分截面和混凝土部分截面的大小进行定义。

进一步，其特征在于：所述步骤三，定义混凝土材料弹性模量、抗压强度、徐变、收缩与时间的关系函数。

本发明的有益效果：二元法模拟钢和混凝土组合构件的计算方法，可用于组合结构的施工全过程分析中，使用该计算方法，可以得到较为准确的结构变形、内力结果，解决了理论计算结果与实际施工不同的问题，从应用层面完善了组合构件的设计方法。

二元法模拟钢和混凝土组合构件的计算方法，可用于考虑施工过程的结构设计，具体做法为，先按照特定的施工顺序和施工周期，模拟结构逐步成型的过程，待结构完全成型后，再按照设计规范的要求，施加其他荷载和作用，并对结构进行计算分析和验算调整。特别对于结构中存在大量倾斜组合构件时，使用本发明所述方法的计算结果更符合实际情况。

附图说明

图1为本发明流程示意图。

具体实施方式

如图1所示，为本发明的较佳实施例，考虑施工过程的结构计算分析的流程图。

本发明的工作原理：在使用有限元软件建模的过程中，每根钢和混凝土组合构件处建立两根重叠的杆件单元，分别模拟组合构件中的钢材部分和混凝土部分，同时定义每根构件的施工时间和混凝土部分的浇筑时间，定义混凝土材料属性和时间的函数关系，以准确模拟钢和混凝土组合构件中混凝土部分随时间进展而逐步具备刚度过程中，对结构内力、变形的影响；

本发明的理论基础为刚度相等原则，即：

其中：

分别代表组合构件的弹性模量、截面面积和惯性矩；

分别代表组合构件中钢材部分的弹性模量、截面面积和惯性矩；

分别代表组合构件中混凝土部分的弹性模量、截面面积和惯性矩；

建模时在每根杆件处建立两根重叠杆件单元，其材料属性和截面尺寸分别与钢—混凝土组合构件中的钢材部分和混凝土部分相同；

在模型建立的过程中，需要根据计划的施工顺序和施工周期，详细定义每根组合构件中钢结构部分的施工时间和混凝土部分的浇筑时间，并根据计算需要，在软件中定义材料属性与时间的函数关系，以模拟混凝土部分的材料属性（如弹性模量、抗压强度、徐变、收缩等）随时间的变化特性；

下面以含有组合材料构件的结构的考虑施工过程的结构设计计算为例，说明本发明的实施方法。

第一步：首先在CAD中建立结构的三维单线模型（规则结构也可以在计算软件中直接建立结构模型）；

第二步：在有限元设计软件中定义结构的材料和杆件属性。其中组合材料构件分别根据构件中钢结构部分截面和混凝土部分截面的大小，分别按照钢构件和混凝土构件进行定义；

第三步：根据计算需要，定于混凝土材料属性—时间的关系函数；按照目前市场主流设计软件的功能，一般可定义混凝土材料弹性模量、抗压强度、徐变、收缩等与时间的关系函数；

第四步：定义结构非线性施工过程分析数据，如施工顺序、施工步时间间隔等；

第五步：在施工过程分析最终步（即结构成型状态）叠加结构设计中需要考虑的其他荷载和作用，如恒荷载、活荷载、温度作用、风荷载、地震作用等，进行结构计算和构件验算；

第六步：验算后强度、刚度不满足设计要求的构件，进行调整，之后重新进行计算分析和构件验算，直至结构满足设计要求；

第七步：进入施工图设计阶段，绘制施工图，细化节点。

上述实施例和图式并非限定本发明的实施思路，任何所属技术领域的技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本发明的专利范畴。

Claims (3)

1.一种二元法模拟钢和混凝土组合构件的计算方法，其特征在于：包括如下步骤，

第一步：首先在CAD中建立结构的三维单线模型；

第二步：定义结构的材料和杆件属性；

第三步：根据计算需要，定于混凝土材料属性与时间的关系函数；

第四步：定义结构非线性施工过程分析数据；

第五步：在施工过程分析最终步，进行结构计算和构件验算；

第六步：验算后强度、刚度不满足设计要求的构件，进行调整，之后重新进行计算分析和构件验算，直至结构满足设计要求；

第七步：进入施工图设计阶段，绘制施工图，细化节点。

2.根据权利要求1所述的一种二元法模拟钢和混凝土组合构件的计算方法，其特征在于：所述步骤二，组合材料构件分别根据构件中钢结构部分截面和混凝土部分截面的大小进行定义。

3.根据权利要求1所述的一种二元法模拟钢和混凝土组合构件的计算方法，其特征在于：所述步骤三，定义混凝土材料弹性模量、抗压强度、徐变、收缩与时间的关系函数。