1.本发明涉及建筑结构工程设计技术领域，尤其是涉及一种混凝土薄壳结构分布钢筋配置方法。

背景技术：

2.钢筋混凝土薄壳，是一种曲面构件，主要承受各种作用产生的中面内的力。薄壳结构就是曲面的薄壁结构，按曲面生成的形式分为筒壳、圆顶薄壳、双曲扁壳和双曲抛物面壳、自由形状壳等，材料大都采用钢筋和混凝土。薄壳结构的优点是可以把受到的压力均匀地分散到物体的各个部分，减少受到的压力。

3.混凝土薄壳的配筋包括分布钢筋和边缘钢筋。边缘钢筋一般通过经验性的构造配置，分布钢筋则需要通过计算确定，由于分布钢筋的面积大，板壳中分布钢筋的配置对结构整体的经济性起到决定作用。

4.近年来随着技术的发展以及对异形结构形态的市场需求，混凝土薄壳的建筑形态也越来越复杂，对混凝土薄壳的结构计算设计以及施工配合都提出了相当高的要求。目前，国家和行业标准中仅包含对筒壳、圆顶薄壳、双曲扁壳和双曲抛物面壳的配筋方法，而对于具有高度复杂形状的任意自由混凝土薄壳则难以处理。

技术实现要素：

5.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混凝土薄壳结构分布钢筋配置方法，以准确实现对复杂异形板壳的分布钢筋配置。

6.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种混凝土薄壳结构分布钢筋配置方法，包括以下步骤：

7.s1、对板壳曲面进行网格划分，以将异形板壳划分为多个四边形板壳单元，其中配筋率计算，每个板壳单元均包含沿厚度方向的三个钢筋配置面：设置在板壳中面的薄膜内力配筋层以及设置在上下壳板顶面和底面处的两个弯矩配筋层；

8.s2、对网格划分后的板壳曲面进行结构有限元分析，得到相应有限元分析结果；

9.s3、基于有限元分析结果，依次进行薄膜配筋和弯矩配筋计算；

10.s4、根据薄膜配筋和弯矩配筋计算结果，进行选筋设计；

11.s5、基于选筋结果，结合抗剪钢筋需求，进行布置拉结钢筋设计；

12.s6、复核配筋率，若复核通过，则完成薄壳结构分布钢筋配置，否则调整板壳厚度，之后返回步骤s2。

13.进一步地，所述步骤s1具体是采用q

‑

morph法或推进波前法对板壳曲面进行网格划分。

14.进一步地，所述步骤s2中结构有限元分析结果具体为不同工况组合下每个板壳单元中的结构应力。

15.进一步地，所述步骤s3具体包括以下步骤：

16.s31、根据不同工况组合下每个板壳单元中的结构应力，获取平行于板壳单元边缘方向上的内力包络值，以作为配筋设计内力，其中，内力包络值具体为薄膜力、面外弯矩和面外剪切；

17.s32、对薄膜力进行薄膜配筋计算，得到薄膜配筋量；

18.s33、对弯曲内力进行弯曲配筋计算，得到顶面配筋量和底面配筋量。

19.进一步地，所述步骤s32中薄膜配筋计算公式为：

[0020][0021]

φ＝1+1/cosθ

[0022]

θ≤45

°

[0023]

其中，a

s

为薄膜配筋量，n为钢筋数量，f

y

为钢筋屈服强度，f

m

为薄膜内力，φ为放大系数，θ为钢筋方向与各组合内力方向的最大夹角。

[0024]

进一步地，所述步骤s33具体是采用混凝土双筋受弯截面的配筋方法进行计算，并且计算得到的配筋面积需要乘以放大系数φ，由此得到顶面配筋量a

bt

和底面配筋量a

bb

。

[0025]

进一步地，所述步骤s4具体是将各板壳单元内的钢筋数量设置为相同，之后根据薄膜配筋量和弯矩配筋量确定对应钢筋的直径，并使得顶面、中面和底面的实配钢筋量大于步骤s3计算得到的薄膜配筋量和弯矩配筋量，以完成顶面、中面和底面的选筋设计。

[0026]

进一步地，所述步骤s5具体是采用斜截面抗剪设计方法计算抗剪钢筋需求，以完成布置拉结钢筋设计。

[0027]

进一步地，所述拉结钢筋均匀布置于钢筋配置面构成的钢筋网之间，用于承受剪切力，并对钢筋起拉结作用。

[0028]

进一步地，所述拉结钢筋具体为横向拉结钢筋。

[0029]

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

[0030]

一、本发明针对自由混凝土薄壳结构，提出一种分布钢筋配置方法，通过对混凝土薄壳进行网格划分和结构有限元分析，以确定混凝土薄壳的受力特点，再以此分别进行薄膜配筋和弯矩配筋计算，能够保证顶层、中层以及底层各层钢筋配置的准确性，从而准确实现对复杂异形板壳的分布钢筋配置。

[0031]

二、本发明通过网格划分得到多个尺寸相近的板壳单元，并在选筋设计时，将各板壳单元内的钢筋数量设置为一致，并根据薄膜配筋量和弯矩配筋量确定对应钢筋的直径，由此既能保证受力性能，同时能够大大方便钢筋的弯曲和搭接施工，也便于采用钢筋网片方式进行施工，从而提高后续钢筋配置的施工效率。

[0032]

三、本发明考虑到各层配筋功能分离，采用多工况组合分析完后包络进行一次配筋的方式，而不需要各工况组合配筋后取包络配筋量，大大降低配筋计算量，并且在配筋计算时结合放大系数，以保证配筋量能够满足受力需求；对配筋率进行复核，以避免少筋和超筋，进一步提高钢筋配置的可靠性。

附图说明

[0033]

图1为本发明的方法流程示意图；

[0034]

图2为实施例的混凝土薄壳结构示意图；

[0035]

图3为实施例的网格划分示意图；

[0036]

图4为实施例的配筋方向示意图；

[0037]

图5为实施例的钢筋分布示意图；

[0038]

图6为实施例的截面配筋示意图；

[0039]

图7为实施例的单层配筋形式示意图；

[0040]

图8a为实施例中u向顶面的计算配筋量与实际配筋量对比示意图；

[0041]

图8b为实施例中u向底面的计算配筋量与实际配筋量对比示意图；

[0042]

图8c为实施例中v向顶面的计算配筋量与实际配筋量对比示意图；

[0043]

图8d为实施例中v向底面的计算配筋量与实际配筋量对比示意图；

[0044]

图9为实施例中配筋量复核结果示意图。

具体实施方式

[0045]

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

[0046]

实施例

[0047]

如图1所示，一种混凝土薄壳结构分布钢筋配置方法，包括以下步骤：

[0048]

s1、对板壳曲面进行网格划分，以将异形板壳划分为多个四边形板壳单元，其中，每个板壳单元均包含沿厚度方向的三个钢筋配置面：设置在板壳中面的薄膜内力配筋层以及设置在上下壳板顶面和底面处的两个弯矩配筋层；

[0049]

s2、对网格划分后的板壳曲面进行结构有限元分析，得到相应有限元分析结果：不同工况组合下每个板壳单元中的结构应力；

[0050]

s3、基于有限元分析结果，依次进行薄膜配筋和弯矩配筋计算，具体的：

[0051]

首先根据不同工况组合下每个板壳单元中的结构应力，获取平行于板壳单元边缘方向上的内力包络值，以作为配筋设计内力，其中，内力包络值具体为薄膜力、面外弯矩和面外剪切；

[0052]

之后对薄膜力进行薄膜配筋计算，得到薄膜配筋量：

[0053][0054]

φ＝1+1/cosθ

[0055]

θ≤45

°

[0056]

其中，a

s

为薄膜配筋量，n为钢筋数量，f

y

为钢筋屈服强度，f

m

为薄膜内力，φ为放大系数，θ为钢筋方向与各组合内力方向的最大夹角；

[0057]

再对弯曲内力进行弯曲配筋计算，得到顶面配筋量和底面配筋量：采用混凝土双筋受弯截面的配筋方法进行计算，并且计算得到的配筋面积需要乘以放大系数φ，由此得到顶面配筋量a

bt

和底面配筋量a

bb

；

[0058]

s4、根据薄膜配筋和弯矩配筋计算结果，进行选筋设计：将各板壳单元内的钢筋数量设置为相同，之后根据薄膜配筋量和弯矩配筋量确定对应钢筋的直径，并使得顶面、中面和底面的实配钢筋量大于步骤s3计算得到的薄膜配筋量和弯矩配筋量，以完成顶面、中面和底面的选筋设计；

[0059]

s5、基于选筋结果，结合抗剪钢筋需求，进行布置拉结钢筋设计，具体是采用斜截面抗剪设计方法计算抗剪钢筋需求，以完成布置拉结钢筋设计，其中，拉结钢筋均匀布置于钢筋配置面构成的钢筋网之间，用于承受剪切力配筋率计算，并对钢筋起拉结作用，拉结钢筋具体为横向拉结钢筋；

[0060]

s6、复核配筋率，若复核通过，则完成薄壳结构分布钢筋配置，否则调整板壳厚度，之后返回步骤s2。

[0061]

综上可知，本技术方案中，薄膜内力配筋由中间单层相互正交的钢筋组成，薄膜内力配筋层仅考虑平行于板壳单元边缘方向的薄膜内力对单方向内力需求配筋放大后作为计算配筋；弯矩配筋由上下两层相互正交钢筋组成，弯矩配筋层仅考虑平行于板壳单元边缘方向的弯矩对单方向内力需求配筋放大后作为计算配筋。其中，放大系数根据主应力与配筋单元角度方向确定，其数值在在1.0～1.42之间，各板壳单元内钢筋的数量相同，钢筋在每个单元中的直径则根据受力情况发生变化。

[0062]

本实施例应用上述技术方案的具体过程为：

[0063]

(1)对板壳曲面进行网格划分，将异形板壳划分为尺寸相近的四边形单元，此过程可以采用q

‑

morph法、推进波前法等各类网格划分技术实现；

[0064]

(2)进行结构有限元分析，获得各种不同工况组合中每个板壳单元中的结构内力，并取平行于板壳单元边缘的方向上的内力包络值(薄膜力、面外弯矩、面外剪切)作为配筋设计内力，忽略面内剪切和面内扭矩；

[0065]

(3)对薄膜力进行薄膜配筋，配筋公式可采用

[0066][0067]

其中，a

s

为配筋量，n为钢筋数量，f

y

为钢筋屈服强度，f

m

为计算薄膜内力，φ为放大系数，其取值为1+1/cosθ，θ为钢筋方向与各组合内力方向的最大夹角，由于θ≤45

°

，φ的取值为1.0～1.42；

[0068]

(4)对弯曲内力进行弯曲配筋，配筋公式可采用一般混凝土双筋受弯截面的配筋方法，计算的配筋面积尚应乘以放大系数φ＝1+1/cosθ，1.00≤φ≤1.42，由此得到顶面配筋值a

bt

和底面配筋值a

bb

；

[0069]

(5)选筋：各单元内钢筋应统一选择n根钢筋的形式，即钢筋数量相同而直径不同，以便弯曲及搭接，并使得顶面、中面、底面实配钢筋略大于步骤(3)(4)中的计算需要的放大的配筋面积a

bt

、a

s

和a

bb

；

[0070]

(6)按一般斜截面抗剪设计方法计算抗剪钢筋需求，布置拉结钢筋；

[0071]

(7)复核配筋率，按弯曲构件复核分布钢筋的配筋率，避免少筋和超筋。

[0072]

(8)若配筋率不能满足，应调整板壳厚度，重复(2)～(7)进行板壳分析计算。

[0073]

本实施例中，混凝土薄壳结构为某公共建筑底的连廊整体，其全长375m，为覆盖于地面土层下的异形混凝土壳结构，其形状由若干复杂的拱壳互相排列切割而成，如同气泡，如图2所示。

[0074]

对其板壳曲面进行网格划分，把异形板壳划分为尺寸约的四边形单元，划分结果如附图3所示。

[0075]

对结构进行结构有限元分析后，获得各种不同工况组合中每个板壳单元中的结构

内力，并取平行于板壳单元边缘的方向上的内力包络值(薄膜力、面外弯矩、面外剪切)作为配筋设计内力，依照上述方法进行各层配筋设计，计算需要的钢筋量。

[0076]

选筋，各四边形单元内钢筋应统一选择4根钢筋的形式，分u、v两个正交方向布置，同时依据剪切分析结果布置拉结钢筋，配置完成的钢筋布置如图4～6所示，各单元配筋均匀连接，单层配筋的形式如图7所示。

[0077]

图8a～8d展示了本实施例最小需要的钢筋量和计算配置钢筋量的关系，图8a～图8d中，横坐标为截面序号，纵坐标为钢筋面积配置。

[0078]

最后复核配筋率，按弯曲构件复核分布钢筋的配筋率，避免少筋和超筋，计算结果如图9所示。

[0079]

综上所述，本技术方案提出一种混凝土薄壳结构分布钢筋配置方法，针对任意自由形状的混凝土壳，包含顶层、中层、底层三个配筋层；包含均匀布置的横向拉结钢筋；板壳被划分为若干四边形单元，钢筋在单元内均匀布置；具体过程包括：网格划分、结构有限元分析、薄膜配筋、弯矩配筋、选筋、布置拉结钢筋和复核配筋率，本技术方案针对自由混凝土壳的分布钢筋的设计需求，根据混凝土薄壳的受力特点，设计相应的配筋置设置，以提高建筑的安全性和经济性。本技术方案适用范围广，不仅仅对常规形状混凝土适用，而且对各种形状的板壳均适用；

[0080]

受力原理清晰，各层钢筋分工明确，受力原理清晰不模糊；

[0081]

由于各层配筋功能分离，可以采用多工况组合分析完后包络进行一次配筋的方式，而不需要各工况组合配筋后取包络配筋量，大大降低计算量；

[0082]

有一定的冗余度，由于薄膜钢筋仅承担薄膜力，弯曲钢筋仅承担弯曲力，混凝土和钢筋的耦合可以带来一定的冗余度；

[0083]

搭接简单，由于各单元钢筋数量均相同，钢筋弯曲、搭接方便，也可以用钢筋网片等方式施工，从而进一步提高效率。

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