1.本發明涉及建筑結構工程設計技術領域，尤其是涉及一種混凝土薄殼結構分布鋼筋配置方法。

　　背景技術：

　　2.鋼筋混凝土薄殼，是一種曲面構件，主要承受各種作用產生的中面內的力。薄殼結構就是曲面的薄壁結構，按曲面生成的形式分為筒殼、圓頂薄殼、雙曲扁殼和雙曲拋物面殼、自由形狀殼等，材料大都采用鋼筋和混凝土。薄殼結構的優點是可以把受到的壓力均勻地分散到物體的各個部分，減少受到的壓力。

　　3.混凝土薄殼的配筋包括分布鋼筋和邊緣鋼筋。邊緣鋼筋一般通過經驗性的構造配置，分布鋼筋則需要通過計算確定，由于分布鋼筋的面積大，板殼中分布鋼筋的配置對結構整體的經濟性起到決定作用。

　　4.近年來隨著技術的發展以及對異形結構形態的市場需求，混凝土薄殼的建筑形態也越來越復雜，對混凝土薄殼的結構計算設計以及施工配合都提出了相當高的要求。目前，國家和行業標準中僅包含對筒殼、圓頂薄殼、雙曲扁殼和雙曲拋物面殼的配筋方法，而對于具有高度復雜形狀的任意自由混凝土薄殼則難以處理。

　　技術實現要素：

　　5.本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種混凝土薄殼結構分布鋼筋配置方法，以準確實現對復雜異形板殼的分布鋼筋配置。

　　6.本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：一種混凝土薄殼結構分布鋼筋配置方法，包括以下步驟：

　　7.s1、對板殼曲面進行網格劃分，以將異形板殼劃分為多個四邊形板殼單元，其中，每個板殼單元均包含沿厚度方向的三個鋼筋配置面：設置在板殼中面的薄膜內力配筋層以及設置在上下殼板頂面和底面處的兩個彎矩配筋層；

　　8.s2、對網格劃分后的板殼曲面進行結構有限元分析，得到相應有限元分析結果；

　　9.s3、基于有限元分析結果，依次進行薄膜配筋和彎矩配筋計算；

　　10.s4、根據薄膜配筋和彎矩配筋計算結果，進行選筋設計；

　　11.s5、基于選筋結果，結合抗剪鋼筋需求，進行布置拉結鋼筋設計；

　　12.s6、復核配筋率，若復核通過，則完成薄殼結構分布鋼筋配置，否則調整板殼厚度，之后返回步驟s2。

　　13.進一步地，所述步驟s1具體是采用q

　　?

　　morph法或推進波前法對板殼曲面進行網格劃分。

　　14.進一步地，所述步驟s2中結構有限元分析結果具體為不同工況組合下每個板殼單元中的結構應力。

　　15.進一步地，所述步驟s3具體包括以下步驟：

　　16.s31、根據不同工況組合下每個板殼單元中的結構應力，獲取平行于板殼單元邊緣方向上的內力包絡值，以作為配筋設計內力，其中，內力包絡值具體為薄膜力、面外彎矩和面外剪切；

　　17.s32、對薄膜力進行薄膜配筋計算，得到薄膜配筋量；

　　18.s33、對彎曲內力進行彎曲配筋計算，得到頂面配筋量和底面配筋量。

　　19.進一步地，所述步驟s32中薄膜配筋計算公式為：

　　[0020][0021]

　　φ＝1+1/cosθ

　　[0022]

　　θ≤45

　　°

　　[0023]

　　其中，a

　　s

　　為薄膜配筋量，n為鋼筋數量，f

　　y

　　為鋼筋屈服強度，f

　　m

　　為薄膜內力，φ為放大系數，θ為鋼筋方向與各組合內力方向的最大夾角。

　　[0024]

　　進一步地，所述步驟s33具體是采用混凝土雙筋受彎截面的配筋方法進行計算，并且計算得到的配筋面積需要乘以放大系數φ，由此得到頂面配筋量a

　　bt

　　和底面配筋量a

　　bb

　　。

　　[0025]

　　進一步地，所述步驟s4具體是將各板殼單元內的鋼筋數量設置為相同，之后根據薄膜配筋量和彎矩配筋量確定對應鋼筋的直徑，并使得頂面、中面和底面的實配鋼筋量大于步驟s3計算得到的薄膜配筋量和彎矩配筋量，以完成頂面、中面和底面的選筋設計。

　　[0026]

　　進一步地，所述步驟s5具體是采用斜截面抗剪設計方法計算抗剪鋼筋需求，以完成布置拉結鋼筋設計。

　　[0027]

　　進一步地，所述拉結鋼筋均勻布置于鋼筋配置面構成的鋼筋網之間，用于承受剪切力，并對鋼筋起拉結作用。

　　[0028]

　　進一步地，所述拉結鋼筋具體為橫向拉結鋼筋。

　　[0029]

　　與現有技術相比，本發明具有以下優點：

　　[0030]

　　一、本發明針對自由混凝土薄殼結構，提出一種分布鋼筋配置方法，通過對混凝土薄殼進行網格劃分和結構有限元分析，以確定混凝土薄殼的受力特點，再以此分別進行薄膜配筋和彎矩配筋計算，能夠保證頂層、中層以及底層各層鋼筋配置的準確性，從而準確實現對復雜異形板殼的分布鋼筋配置。

　　[0031]

　　二、本發明通過網格劃分得到多個尺寸相近的板殼單元，并在選筋設計時，將各板殼單元內的鋼筋數量設置為一致，并根據薄膜配筋量和彎矩配筋量確定對應鋼筋的直徑，由此既能保證受力性能，同時能夠大大方便鋼筋的彎曲和搭接施工，也便于采用鋼筋網片方式進行施工，從而提高后續鋼筋配置的施工效率。

　　[0032]

　　三、本發明考慮到各層配筋功能分離，采用多工況組合分析完后包絡進行一次配筋的方式，而不需要各工況組合配筋后取包絡配筋量，大大降低配筋計算量，并且在配筋計算時結合放大系數，以保證配筋量能夠滿足受力需求；對配筋率進行復核，以避免少筋和超筋，進一步提高鋼筋配置的可靠性。

　　附圖說明

　　[0033]

　　圖1為本發明的方法流程示意圖；

　　[0034]

　　圖2為實施例的混凝土薄殼結構示意圖；

　　[0035]

　　圖3為實施例的網格劃分示意圖；

　　[0036]

　　圖4為實施例的配筋方向示意圖；

　　[0037]

　　圖5為實施例的鋼筋分布示意圖；

　　[0038]

　　圖6為實施例的截面配筋示意圖；

　　[0039]

　　圖7為實施例的單層配筋形式示意圖；

　　[0040]

　　圖8a為實施例中u向頂面的計算配筋量與實際配筋量對比示意圖；

　　[0041]

　　圖8b為實施例中u向底面的計算配筋量與實際配筋量對比示意圖；

　　[0042]

　　圖8c為實施例中v向頂面的計算配筋量與實際配筋量對比示意圖；

　　[0043]

　　圖8d為實施例中v向底面的計算配筋量與實際配筋量對比示意圖；

　　[0044]

　　圖9為實施例中配筋量復核結果示意圖。

　　具體實施方式

　　[0045]

　　下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。

　　[0046]

　　實施例

　　[0047]

　　如圖1所示，一種混凝土薄殼結構分布鋼筋配置方法，包括以下步驟：

　　[0048]

　　s1、對板殼曲面進行網格劃分，以將異形板殼劃分為多個四邊形板殼單元，其中，每個板殼單元均包含沿厚度方向的三個鋼筋配置面：設置在板殼中面的薄膜內力配筋層以及設置在上下殼板頂面和底面處的兩個彎矩配筋層；

　　[0049]

　　s2、對網格劃分后的板殼曲面進行結構有限元分析，得到相應有限元分析結果：不同工況組合下每個板殼單元中的結構應力；

　　[0050]

　　s3、基于有限元分析結果，依次進行薄膜配筋和彎矩配筋計算，具體的：

　　[0051]

　　首先根據不同工況組合下每個板殼單元中的結構應力，獲取平行于板殼單元邊緣方向上的內力包絡值，以作為配筋設計內力，其中，內力包絡值具體為薄膜力、面外彎矩和面外剪切；

　　[0052]

　　之后對薄膜力進行薄膜配筋計算，得到薄膜配筋量：

　　[0053][0054]

　　φ＝1+1/cosθ

　　[0055]

　　θ≤45

　　°

　　[0056]

　　其中，a

　　s

　　為薄膜配筋量，n為鋼筋數量，f

　　y

　　為鋼筋屈服強度，f

　　m

　　為薄膜內力，φ為放大系數，θ為鋼筋方向與各組合內力方向的最大夾角；

　　[0057]

　　再對彎曲內力進行彎曲配筋計算，得到頂面配筋量和底面配筋量：采用混凝土雙筋受彎截面的配筋方法進行計算，并且計算得到的配筋面積需要乘以放大系數φ，由此得到頂面配筋量a

　　bt

　　和底面配筋量a

　　bb

　　；

　　[0058]

　　s4、根據薄膜配筋和彎矩配筋計算結果，進行選筋設計：將各板殼單元內的鋼筋數量設置為相同，之后根據薄膜配筋量和彎矩配筋量確定對應鋼筋的直徑，并使得頂面、中面和底面的實配鋼筋量大于步驟s3計算得到的薄膜配筋量和彎矩配筋量，以完成頂面、中面和底面的選筋設計；

　　[0059]

　　s5、基于選筋結果，結合抗剪鋼筋需求，進行布置拉結鋼筋設計，具體是采用斜截面抗剪設計方法計算抗剪鋼筋需求，以完成布置拉結鋼筋設計，其中，拉結鋼筋均勻布置于鋼筋配置面構成的鋼筋網之間，用于承受剪切力，并對鋼筋起拉結作用，拉結鋼筋具體為橫向拉結鋼筋；

　　[0060]

　　s6、復核配筋率，若復核通過，則完成薄殼結構分布鋼筋配置，否則調整板殼厚度，之后返回步驟s2。

　　[0061]

　　綜上可知，本技術方案中，薄膜內力配筋由中間單層相互正交的鋼筋組成，薄膜內力配筋層僅考慮平行于板殼單元邊緣方向的薄膜內力對單方向內力需求配筋放大后作為計算配筋；彎矩配筋由上下兩層相互正交鋼筋組成，彎矩配筋層僅考慮平行于板殼單元邊緣方向的彎矩對單方向內力需求配筋放大后作為計算配筋。其中，放大系數根據主應力與配筋單元角度方向確定，其數值在在1.0～1.42之間，各板殼單元內鋼筋的數量相同，鋼筋在每個單元中的直徑則根據受力情況發生變化。

　　[0062]

　　本實施例應用上述技術方案的具體過程為：

　　[0063]

　　(1)對板殼曲面進行網格劃分，將異形板殼劃分為尺寸相近的四邊形單元，此過程可以采用q

　　?

　　morph法、推進波前法等各類網格劃分技術實現；

　　[0064]

　　(2)進行結構有限元分析，獲得各種不同工況組合中每個板殼單元中的結構內力，并取平行于板殼單元邊緣的方向上的內力包絡值(薄膜力、面外彎矩、面外剪切)作為配筋設計內力，忽略面內剪切和面內扭矩；

　　[0065]

　　(3)對薄膜力進行薄膜配筋，配筋公式可采用

　　[0066][0067]

　　其中，a

　　s

　　為配筋量，n為鋼筋數量，f

　　y

　　為鋼筋屈服強度，f

　　m

　　為計算薄膜內力，φ為放大系數，其取值為1+1/cosθ，θ為鋼筋方向與各組合內力方向的最大夾角，由于θ≤45

　　°

　　，φ的取值為1.0～1.42；

　　[0068]

　　(4)對彎曲內力進行彎曲配筋，配筋公式可采用一般混凝土雙筋受彎截面的配筋方法，計算的配筋面積尚應乘以放大系數φ＝1+1/cosθ，1.00≤φ≤1.42，由此得到頂面配筋值a

　　bt

　　和底面配筋值a

　　bb

　　；

　　[0069]

　　(5)選筋：各單元內鋼筋應統一選擇n根鋼筋的形式，即鋼筋數量相同而直徑不同，以便彎曲及搭接，并使得頂面、中面、底面實配鋼筋略大于步驟(3)(4)中的計算需要的放大的配筋面積a

　　bt

　　、a

　　s

　　和a

　　bb

　　；

　　[0070]

　　(6)按一般斜截面抗剪設計方法計算抗剪鋼筋需求，布置拉結鋼筋；

　　[0071]

　　(7)復核配筋率，按彎曲構件復核分布鋼筋的配筋率，避免少筋和超筋。

　　[0072]

　　(8)若配筋率不能滿足，應調整板殼厚度，重復(2)～(7)進行板殼分析計算。

　　[0073]

　　本實施例中，混凝土薄殼結構為某公共建筑底的連廊整體，其全長375m，為覆蓋于地面土層下的異形混凝土殼結構，其形狀由若干復雜的拱殼互相排列切割而成，如同氣泡，如圖2所示。

　　[0074]

　　對其板殼曲面進行網格劃分，把異形板殼劃分為尺寸約500mmx500mm的四邊形單元，劃分結果如附圖3所示。

　　[0075]

　　對結構進行結構有限元分析后，獲得各種不同工況組合中每個板殼單元中的結構

　　內力，并取平行于板殼單元邊緣的方向上的內力包絡值(薄膜力、面外彎矩、面外剪切)作為配筋設計內力，依照上述方法進行各層配筋設計，計算需要的鋼筋量。

　　[0076]

　　選筋，各四邊形單元內鋼筋應統一選擇4根鋼筋的形式，分u、v兩個正交方向布置，同時依據剪切分析結果布置拉結鋼筋，配置完成的鋼筋布置如圖4～6所示，各單元配筋均勻連接，單層配筋的形式如圖7所示。

　　[0077]

　　圖8a～8d展示了本實施例最小需要的鋼筋量和計算配置鋼筋量的關系，圖8a～圖8d中，橫坐標為截面序號，縱坐標為鋼筋面積配置。

　　[0078]

　　最后復核配筋率，按彎曲構件復核分布鋼筋的配筋率，避免少筋和超筋，計算結果如圖9所示。

　　[0079]

　　綜上所述，本技術方案提出一種混凝土薄殼結構分布鋼筋配置方法，針對任意自由形狀的混凝土殼，包含頂層、中層、底層三個配筋層；包含均勻布置的橫向拉結鋼筋；板殼被劃分為若干四邊形單元，鋼筋在單元內均勻布置；具體過程包括：網格劃分、結構有限元分析、薄膜配筋、彎矩配筋、選筋、布置拉結鋼筋和復核配筋率，本技術方案針對自由混凝土殼的分布鋼筋的設計需求，根據混凝土薄殼的受力特點，設計相應的配筋置設置，以提高建筑的安全性和經濟性。本技術方案適用范圍廣，不僅僅對常規形狀混凝土適用，而且對各種形狀的板殼均適用；

　　[0080]

　　受力原理清晰，各層鋼筋分工明確，受力原理清晰不模糊；

　　[0081]

　　由于各層配筋功能分離，可以采用多工況組合分析完后包絡進行一次配筋的方式，而不需要各工況組合配筋后取包絡配筋量，大大降低計算量；

　　[0082]

　　有一定的冗余度，由于薄膜鋼筋僅承擔薄膜力，彎曲鋼筋僅承擔彎曲力，混凝土和鋼筋的耦合可以帶來一定的冗余度；

　　[0083]

　　搭接簡單，由于各單元鋼筋數量均相同，鋼筋彎曲、搭接方便，也可以用鋼筋網片等方式施工，從而進一步提高效率。

　　技術特征：

　　1.一種混凝土薄殼結構分布鋼筋配置方法，其特征在于，包括以下步驟：s1、對板殼曲面進行網格劃分，以將異形板殼劃分為多個四邊形板殼單元，其中，每個板殼單元均包含沿厚度方向的三個鋼筋配置面：設置在板殼中面的薄膜內力配筋層以及設置在上下殼板頂面和底面處的兩個彎矩配筋層；s2、對網格劃分后的板殼曲面進行結構有限元分析，得到相應有限元分析結果；s3、基于有限元分析結果，依次進行薄膜配筋和彎矩配筋計算；s4、根據薄膜配筋和彎矩配筋計算結果，進行選筋設計；s5、基于選筋結果，結合抗剪鋼筋需求，進行布置拉結鋼筋設計；s6、復核配筋率，若復核通過，則完成薄殼結構分布鋼筋配置，否則調整板殼厚度，之后返回步驟s2。2.根據權利要求1所述的一種混凝土薄殼結構分布鋼筋配置方法，其特征在于，所述步驟s1具體是采用q

　　?

　　morph法或推進波前法對板殼曲面進行網格劃分。3.根據權利要求1所述的一種混凝土薄殼結構分布鋼筋配置方法，其特征在于，所述步驟s2中結構有限元分析結果具體為不同工況組合下每個板殼單元中的結構應力。4.根據權利要求3所述的一種混凝土薄殼結構分布鋼筋配置方法，其特征在于，所述步驟s3具體包括以下步驟：s31、根據不同工況組合下每個板殼單元中的結構應力，獲取平行于板殼單元邊緣方向上的內力包絡值，以作為配筋設計內力，其中，內力包絡值具體為薄膜力、面外彎矩和面外剪切；s32、對薄膜力進行薄膜配筋計算，得到薄膜配筋量；s33、對彎曲內力進行彎曲配筋計算，得到頂面配筋量和底面配筋量。5.根據權利要求4所述的一種混凝土薄殼結構分布鋼筋配置方法，其特征在于，所述步驟s32中薄膜配筋計算公式為：φ＝1+1/cosθθ≤45

　　°

　　其中，a

　　s

　　為薄膜配筋量，n為鋼筋數量，f

　　y

　　為鋼筋屈服強度，f

　　m

　　為薄膜內力，φ為放大系數，θ為鋼筋方向與各組合內力方向的最大夾角。6.根據權利要求5所述的一種混凝土薄殼結構分布鋼筋配置方法，其特征在于，所述步驟s33具體是采用混凝土雙筋受彎截面的配筋方法進行計算，并且計算得到的配筋面積需要乘以放大系數φ，由此得到頂面配筋量a

　　bt

　　和底面配筋量a

　　bb

　　。7.根據權利要求4所述的一種混凝土薄殼結構分布鋼筋配置方法，其特征在于，所述步驟s4具體是將各板殼單元內的鋼筋數量設置為相同，之后根據薄膜配筋量和彎矩配筋量確定對應鋼筋的直徑，并使得頂面、中面和底面的實配鋼筋量大于步驟s3計算得到的薄膜配筋量和彎矩配筋量，以完成頂面、中面和底面的選筋設計。8.根據權利要求1所述的一種混凝土薄殼結構分布鋼筋配置方法，其特征在于，所述步驟s5具體是采用斜截面抗剪設計方法計算抗剪鋼筋需求，以完成布置拉結鋼筋設計。

　　9.根據權利要求1～8任一所述的一種混凝土薄殼結構分布鋼筋配置方法，其特征在于，所述拉結鋼筋均勻布置于鋼筋配置面構成的鋼筋網之間，用于承受剪切力，并對鋼筋起拉結作用。10.根據權利要求9任一所述的一種混凝土薄殼結構分布鋼筋配置方法，其特征在于，所述拉結鋼筋具體為橫向拉結鋼筋。

　　技術總結

　　本發明涉及一種混凝土薄殼結構分布鋼筋配置方法，包括：對板殼曲面進行網格劃分，以將異形板殼劃分為多個四邊形板殼單元，每個板殼單元均包含沿厚度方向的三個鋼筋配置面：薄膜內力配筋層以及兩個彎矩配筋層；對網格劃分后的板殼曲面進行結構有限元分析，得到相應有限元分析結果；基于有限元分析結果，依次進行薄膜配筋和彎矩配筋計算；根據薄膜配筋和彎矩配筋計算結果，進行選筋設計；基于選筋結果，結合抗剪鋼筋需求，進行布置拉結鋼筋設計；復核配筋率，若復核通過，則完成薄殼結構分布鋼筋配置，否則調整板殼厚度，之后返回重新進行配置計算。與現有技術相比，本發明具有適用范圍廣、受力原理清晰、計算量小、安全冗余、便于施工的優點。優點。優點。

　　技術研發人員：黃卓駒 郝志鵬 項圣懿

　　受保護的技術使用者：同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司

　　技術研發日：2021.07.13

　　技術公布日：2021/10/8