一种脱空钢管混凝土相贯节点承载性能评估方法及系统

本发明属于土木工程中的结构工程领域，涉及一种脱空钢管混凝土相贯节点承载性能评估方法及系统。

背景技术：

1、钢管混凝土（cfst）结构通过将钢管对核心混凝土的环向约束作用与混凝土的抗压性能相结合，具备高承载力、优异延性及整体稳定性，已广泛应用于钢管混凝土拱桥、大跨桁架桥及风电塔架等工程领域的格构式承重体系中。在钢管混凝土桁架结构中，k型节点承担着腹杆与弦杆之间的荷载传递功能，其局部力学响应直接决定结构的整体安全性。既有研究表明，当钢管与核心混凝土界面保持有效接触时，核心混凝土可为弦杆管壁提供径向支承，缓解相贯线区域的应力集中，显著提升节点的极限承载力并改善其破坏模式。

2、然而在实际工程中，受混凝土收缩徐变、浇筑振捣不充分、泌水沉降、钢管与混凝土温差变形及长期服役劣化等因素影响，钢管内壁与核心混凝土之间极易形成界面脱空缺陷。对于水平或近水平布置的弦杆，重力沉降与泌水作用易在弦杆顶部形成球冠型（sc）脱空；而偏心收缩、局部接触不均匀及复杂应力状态则可能诱发沿弦杆周向分布的环向月牙型（cr）脱空。现有针对普通cfst构件的研究已证实，界面脱空会削弱钢管与核心混凝土的组合作用，导致构件承载力、刚度及耗能能力下降，但上述结论无法直接外推至cfst的k型节点：k型节点在受拉与受压腹杆的共同作用下，相贯区域处于复杂三维应力状态，其极限承载力与破坏模式由弦杆局部塑性、腹杆根部变形及核心混凝土提供的径向支承共同控制。界面脱空不仅会削弱径向支承刚度，还会改变临界破坏区域的传力路径，促使主导破坏模式在弦杆冲剪破坏、腹杆控制破坏及组合破坏之间发生转移——例如球冠型脱空直接位于腹杆加载区的主传力路径上，对承载力的折减效应显著强于沿周向分布的月牙型脱空；而弦杆含钢率的提升虽可增强管壁环向刚度，但在高脱空率下仍可能出现厚壁弦杆节点由腹杆控制破坏回转至弦杆冲剪破坏的异常现象。

3、目前，国内外尚无针对含界面脱空cfst中k型节点的专用承载力评估方法。工程实践中若直接沿用基于无脱空假定的现有规范公式，会高估核心混凝土的径向支承作用，进而严重高估节点的实际安全储备。部分研究虽尝试通过有限元模拟分析脱空影响，但普遍存在两点局限：一是未系统区分脱空形态（球冠型/月牙型）的差异化影响机制，仅以单一脱空率表征缺陷程度，导致评估结果与实际受力状态偏差较大；二是未建立耦合脱空形态、脱空率与弦杆含钢率的量化折减模型，难以满足工程现场快速、精准评估的需求。因此，亟需一种能够综合考虑脱空形态差异、含钢率影响及破坏模式转移规律的cfst k型节点承载力评估方法及系统，为在役cfst桥梁及格构式承重结构中缺陷节点的安全运维提供技术支撑。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明为了解决现有基于钢管-混凝土界面完全接触假定的评估方法，未考虑球冠型与月牙型脱空形态的差异及含钢率耦合影响，导致对含脱空缺陷的钢管混凝土k型节点承载力评估结果偏于危险的问题，提供一种脱空钢管混凝土相贯节点承载性能评估方法及系统。

2、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种脱空钢管混凝土相贯节点承载性能评估方法，包括以下步骤：

4、s1、获取目标钢管混凝土k型节点的几何参数、材料参数及界面脱空缺陷参数；其中，几何参数至少包括弦杆外径d、弦杆壁厚t；材料参数用于计算弦杆含钢率；界面脱空缺陷参数至少包括脱空形态j和脱空率；根据弦杆壁厚t和弦杆外径d计算弦杆径厚比=d/2t，并根据弦杆钢管截面面积与核心混凝土截面面积比值计算含钢率；

5、s2、基于步骤s1中脱空形态j，调用预训练的承载力折减系数模型，输入所述脱空率和含钢率，计算得到整体承载力折减系数；

6、其中，预训练的承载力折减系数模型构建时假设，脱空率增大和弦杆含钢率提高对承载力折减具有相反作用，采用式描述脱空诱导整体承载力折减系数，式中，j表示脱空形态，分别取sc和cr；为脱空率，按小数输入；，按小数输入，、和为待定系数，其中，表征脱空率对承载力退化的影响，表征含钢率提高对脱空敏感性的抑制作用，反映脱空率增大导致的局部支承削弱，反映弦杆壁厚t和含钢率提高后对脱空敏感性的抑制作用。时整体承载力折减系数。

7、基于有限元参数化分析结果，不同脱空形态承载力折减系数采用非线性最小二乘法拟合得到：当脱空形态j为球冠型sc时，；当脱空形态j为环向月牙型cr时，；其中，和均采用小数形式。拟合结果表明，sc脱空的折减项随脱空率增长更快，说明其对主要传力路径附近局部支承的削弱更直接；cr脱空的折减项对更敏感，说明弦杆壁厚增加后，cr脱空引起的环向接触扰动可被弦杆自身刚度显著削弱。当脱空形态无法可靠识别时，可取作为偏安全估计。

8、s3、获取目标节点在无脱空缺陷状态下的基准极限承载力；基准极限承载力通过以下任一方式获取：1）对无脱空基准节点进行足尺加载试验，获得基准极限承载力pu0；或对满足几何、材料以及荷载相似条件的缩尺模型进行加载试验，并根据相似关系将试验结果换算为基准极限承载力pu0；2）采用经过试验验证的非线性有限元模型计算得到的无脱空节点极限承载力pu0；3）采用现行设计规范中与无脱空基准节点的节点形式、几何构造及受力状态相适用的预设承载力计算模型获得初始基准承载力，并依据无脱空节点加载试验或经试验验证的非线性有限元计算结果确定校正系数，经校正得到基准极限承载力pu0。

9、s4、根据步骤s2计算得到的整体承载力折减系数和步骤s3获取的基准极限承载力，按照公式，计算得到含脱空缺陷节点的有限元极限承载力，完成承载力评估；

10、s5、基于获取的弦杆径厚比d/t和脱空率，参照预设的破坏模式映射关系，预判目标节点包括弦杆冲剪失效和腹杆失效的潜在破坏模式，预设的破坏模式映射关系为：当71.15＜d/t≤122.0且0%≤≤8%时，球冠形脱空节点和环向月牙形脱空节点均预判为弦杆冲剪破坏；当54.90＜d/t≤71.15且0%≤≤8%时，球冠形脱空节点预判为弦杆冲剪破坏；对于环向月牙形脱空节点，当0%≤＜6%时预判为腹杆破坏，当6%≤≤8%时预判为弦杆冲剪破坏；当44.75＜d/t≤54.90时，对于球冠形脱空节点，当0%≤＜4%时预判为腹杆破坏，当4%≤≤8%时预判为弦杆冲剪破坏；环向月牙形脱空节点在0%≤≤8%时预判为腹杆破坏；当40.7≤d/t≤44.75时，对于球冠形脱空节点，当0%≤＜6%时预判为腹杆破坏，当6%≤≤8%时预判为弦杆冲剪破坏；环向月牙形脱空节点在0%≤≤8%时预判为腹杆破坏。

11、基于上述脱空钢管混凝土相贯节点承载性能评估方法的评估系统，包括：

12、数据采集模块，用于获取目标钢管混凝土k型节点的几何参数、材料参数及界面脱空缺陷参数，计算弦杆径厚比d/t和含钢率；

13、折减系数计算模块，内置有上述的预训练承载力折减系数模型，用于接收输入的脱空形态j、脱空率和含钢率，输出对应的整体承载力折减系数；

14、基准承载力获取模块，用于获取所述目标节点在无脱空状态下的基准极限承载力；

15、承载力评估模块，分别与折减系数计算模块和基准承载力获取模块连接，根据公式，计算得到含脱空缺陷节点的有限元极限承载力；

16、破坏模式预判模块；预存有上述的破坏模式映射关系，用于基于弦杆径厚比d/t、含钢率、脱空率及脱空形态j参数输出潜在破坏模式预警；

17、存储模块，存储不同规格节点的基准承载力数据库及对应的折减系数计算结果；

18、显示模块，可视化展示节点构造、脱空缺陷位置、破坏模式预警信息及最终的承载力评估信息。

19、本发明的有益效果在于：

20、1、本发明所公开的脱空钢管混凝土相贯节点承载性能评估方法，突破了传统规范基于“界面完全接触”理想假定的局限性，首次考虑了球冠型与月牙型脱空对节点承载力的差异化影响。相比于直接套用无脱空规范公式容易高估承载力的问题，本发明能够量化缺陷带来的真实折减效应。

21、2、本发明所公开的脱空钢管混凝土相贯节点承载性能评估方法，引入了含钢率与脱空率的耦合机制，能够区分“厚壁安全”与“薄壁危险”的不同工况。对于含钢率高、壁厚较大的节点，本发明能准确判断其对脱空缺陷的低敏感性，避免过度维修；而对于薄壁或关键传力区的脱空，则能精准发出预警。这种精细化的分级评估策略，避免了“一刀切”式的加固方案，显著降低了在役桥梁和塔架的运维成本。

22、3、本发明所公开的脱空钢管混凝土相贯节点承载性能评估方法，针对现场检测难以精确界定脱空形态的痛点，提供了简便易行的保守处理机制：当无法区分球冠型或月牙型脱空时，只需取两种形态计算结果的较小值作为最终折减系数。这一设计无需复杂的形态重构，既简化了操作流程，又严格遵循了工程结构设计的“安全优先”原则，特别适用于检测条件受限的在役老旧结构评估。

23、4、本发明所公开的脱空钢管混凝土相贯节点承载性能评估方法，建立的折减系数模型覆盖了径厚比40.7~122.0、含钢率3.36%~10.61%、脱空率0%~8%的常用工程参数范围，涵盖了绝大多数钢管混凝土桁架结构及拱桥的k型节点应用场景。无论是新建结构的缺陷验收，还是在役结构的健康监测，均可直接调用本方法进行快速评估，具有极高的工程实用价值。

24、5、本发明所公开的脱空钢管混凝土相贯节点承载性能评估方法，在获取弦杆含钢率、界面脱空率和脱空形态等评估参数后，可通过显式计算公式获得承载力折减系数，并结合相应无脱空节点的基准承载力确定含界面脱空缺陷节点的承载力。在适用参数范围内，无需针对每一待评估节点重新开展复杂的非线性有限元建模与迭代计算。该方法具有明确的输入、计算和输出流程，便于集成于移动应用程序、便携式检测设备或bim运维系统，能够减少计算工作量，提高承载力评估效率，为工程设计复核、施工质量评估和既有结构运营维护提供技术支持。

25、本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。