[发明专利]一种基于纤维模型的巨型组合构件收缩徐变计算方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种建筑结构的分析计算方法，尤其是涉及一种基于纤维模型的巨型组合构件收缩徐变计算方法。

背景技术

目前国内的超高层建筑普遍采用了巨型框架-核心筒-伸臂桁架抗侧力结构体系，巨型框架中的巨柱与核心筒中的剪力墙等巨型竖向构件由于承载较大的竖向力，截面尺寸巨大，且为了更好地满足承载力及轴压比要求，巨型竖向构件一般采用型钢与混凝土组合构件。

巨型组合构件除受荷载作用外还受到非荷载作用，主要包括混凝土的收缩和徐变、结构温度变化、地基差异沉降。非荷载效应具有时变性，会引起构件之间的竖向变形差异，导致幕墙、隔墙、机电管道和电梯等非结构构件受损，造成耐久性和建筑外观方面的问题；竖向差异变形将影响楼屋面的水平度，在联系巨柱和核心筒的水平构件(如伸臂桁架)中引起附加内力，从而导致竖向构件的内力重分布，严重时会导致结构局部失效或者不适宜于继续使用，造成较大的经济损失。

在所有的非荷载作用中，混凝土的收缩与徐变会产生较大的差异变形，一般来讲，若荷载作用较大且一直持续下去，徐变变形是瞬时弹性变形的1～3倍。国内外对收缩与徐变作用均有较深入的研究，但其研究主要集中于试验研究与模型预测。对于工程结构设计，目前存在三个方面的问题：一是选用的混凝土收缩徐变预测模型落后，预测值不准确；二是没有考虑钢骨对混凝土的约束作用造成部分混凝土处于密闭状态，干燥变形少，收缩徐变不均匀，进而影响构件整体的收缩徐变值；三是竖向变形的过程中没有考虑偏心荷载的作用，偏心荷载产生的弯矩同样会使竖向构件变形不均匀，对水平构件产生次弯矩的影响。

超高层结构中的巨柱以及核心筒等巨型组合构件通常是由内埋的组合型钢与混凝土构成的。组合型钢一般都含有封闭区域，使其内部的混凝土处于密闭状态，造成混凝土内的水分难以流失，相对湿度大，干燥收缩与干燥徐变应变都很小，构件截面上的徐变应变不均匀，进而影响构件的整体收缩徐变值。同时，超高层结构的结构形式一般为向上收进的，在自重等其他恒荷载的作用下会产生持续作用的偏心压力，这种偏心压力同样会造成构件截面的收缩徐变不均匀，进而影响水平构件产生附加内力。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种计算过程简明、计算结果精确的基于纤维模型的巨型组合构件收缩徐变计算方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于纤维模型的巨型组合构件收缩徐变计算方法，包括如下步骤：

1)根据组合构件截面的材料组成、徐变参数与受力特点对巨型组合构件进行纤维单元划分，计算每个纤维单元的形心和面积；

2)根据截面内力、截面材料特性计算每个纤维单元的初始弹性应变与应力；

3)根据每个纤维单元的初始应力，按照收缩徐变模型计算每个纤维单元的收缩徐变值，并与弹性应变迭加得到每个纤维单元的总应变量；

4)计算每个纤维单元的虚拟应力，并积分得到截面上的虚拟内力，通过虚拟内力计算出巨型组合构件截面的总应变。

所述的对巨型组合构件进行纤维单元划分的规律为：

a)截面内的混凝土与钢材划分为不同的纤维单元；

b)截面内徐变参数不同的混凝土划分为不同的纤维单元

c)对于不同的受力特点，采用不同的纤维单元划分方法：

对于轴心受压构件，按材料的不同以及收缩徐变参数的不同划分纤维单元；

对于偏心受压构件，根据偏心力作用的位置划分纤维单元：若偏心力作用在截面的对称轴上，则相同材料垂直于对称轴方向的应力是相同的，将纤维单元沿着该对称轴方向均匀划分；若偏心压力作用在截面的任意位置，则根据截面的形状特征将截面沿不同方向划分为多个纤维单元。

所述的步骤2)的具体计算方法如下：

各纤维单元截面上形心(x，y)处的纤维应变ε(x，y)可以用截面形心位置的弹性应变ε₀和绕截面形心轴的曲率表达为：

对应于应变ε(x，y)的应力σ(x，y)通过弹性模量E(x，y)求得：

截面上所有由纤维束的应力σ(x，y)所引起的截面内力和弯矩由积分求得：

其中N为截面内力，M_y、M_x分别为截面上绕y轴与绕x轴作用的弯矩，K_s为截面刚度矩阵，A为纤维单元的面积：