一种任意形状截面钢筋混凝土构件的配筋设计方法与流程

本发明涉及土木工程领域，特别是一种任意形状截面钢筋混凝土构件的配筋设计方法。

背景技术

有限单元法是在当今工程分析中应用最广泛的数值计算方法，其中常用的单元包括杆单元、壳单元和实体单元等。在常规钢筋混凝土结构中，梁、柱、墙等构件截面规则，尺度适中，进行结构设计时，通常在结构设计软件中采用杆单元和壳单元建模，通过有限单元法求得内力，再根据《混凝土结构设计规范》进行配筋设计。在大体积混凝土结构，如水工结构(船闸、电站进水口等)、高层结构厚板转换层和桥墩等，设计时，则会在通用有限元分析软件中用实体单元建模，根据有限单元法求得应力分布，再根据《水工混凝土结构设计规范》按应力图形进行配筋设计。

然而，常用结构设计软件无法对任意形状截面钢筋混凝土构件进行配筋设计，并且《水工混凝土结构设计规范》中按应力图形进行配筋设计的方法不适用于一个方向尺度明显大于其它两个方向尺度的构件，如梁、柱等。

因此，需要新的设计方法，以消除现有技术中存在的问题。

技术实现要素：

为了克服现有技术存在的上述问题，本发明提供一种任意形状截面钢筋混凝土构件的配筋设计方法，包括如下步骤：

步骤一，在通用有限元软件中进行实体建模；

步骤二，有限元分析得到应力分布；

步骤三，合理选取截面，并将其划分为多个区域，通过积分、求和等计算过程得到各区域合力；

步骤四，根据合力进行各区域配筋设计。

优选的，所述步骤二的所述应力分布为各正应力、剪应力分布。

优选的，所述步骤三的所述计算截面垂直于塔柱曲线，所述多个区域为形状相对规则的区域。

优选的，所述步骤三还包括合理控制计算截面间距，既保证设计精度，又不过度增加工作量，当截面两个方向尺度相差不大时，计算截面间距不大于截面长边长度。

优选的，所述步骤四包括：对每个区域内实体单元节点力及其对形心力矩求和，便可以得到该区域各合力，所述合力为内力，即根据各区域应力结果求得内力，进行配筋设计。

优选的，所述合力包括：轴力n、剪力qx，qy，以及弯矩mx，my。

优选的，所述配筋设计包括：当区域的两个方向尺度相差比值小于4的情况下，按照柱的要求进行配筋设计；当区域两个方向尺度相差比值大于4的情况下，按照墙的要求进行配筋设计。

采用上述任意形状截面钢筋混凝土构件的配筋设计方法，其有益效果是：

(1)使任意形状截面钢筋混凝土构件在结构中的应用成为可能，提高了结构设计的灵活性，可以增加使用面积，提供更加丰富、个性化的外观；

(2)分区域配筋可以使钢筋配置更加合理，节省材料。

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。本发明的目标及特征考虑到如下结合附图的描述将更加明显，附图中：

附图1为根据本发明实施例的任意形状截面钢筋混凝土构件的配筋设计方法流程图；

附图2为根据本发明实施例的斜拉结构索塔及其计算截面选取示意图；

附图3为根据本发明实施例的斜拉结构索塔的计算截面区域划分及其局部坐标示意图；

附图4为根据本发明实施例的根据区域形状分别采用的相应配筋设计示意图；

附图5为根据本发明实施例的根据区域形状分别采用的相应配筋设计(含尺寸的)示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明，但并不用来限制本发明的保护范围。

参见附图1，任意形状截面钢筋混凝土构件的配筋设计方法流程包括：

步骤一，在通用有限元软件中进行实体建模；

步骤二，有限元分析得到应力分布；

步骤三，合理选取计算截面，并将其划分为多个形状相对规则的区域，通过积分、求和等计算过程得到各区域合力；

步骤四，根据合力进行各区域配筋，所述合力为内力，即根据各区域应力结果求得内力，进行配筋设计。

本实施例设计某斜拉结构索塔，其设计步骤如下：

(1)在通用有限元软件中采用实体单元建模，进行分析计算；

(2)如图2所示，根据应力分析结果，尤其是主拉应力分布，垂直于塔柱曲线选取若干计算截面，同时，合理控制计算截面间距，既保证设计精度，又不过度增加工作量——截面两个方向尺度相差不大时，计算截面间距不大于截面长边长度；

(3)计算截面如图3所示，将其划分为形状相对规则的几个区域，这里划分为6个区域，中间部分开洞，图3中用折线表示；

(4)通用有限元软件通常会提供应力积分所得实体单元节点力的输出选项，根据以下公式对每个区域内实体单元节点力及其对形心力矩求和，便可以得到该区域各合力，如轴力(n)、剪力(qx、qy)和弯矩(mx、my)，各区域局部坐标系如图4所示：

其中，fnxi、fnyi、fnzi分别为第i个节点x、y、z向节点力，yci、xci分别为第i个节点与过区域形心的局部坐标系x、y轴的距离；其中图4中的a-e是区域内实体单元的典型节点；

(5)根据区域形状分别采用相应的现有配筋设计方法，其中，1、2、3区域两个方向尺度相差不大，按柱的要求进行配筋设计，而4、5、6区域两个方向尺度相差较大，其比值大于4，因此按墙的要求进行设计。

此案例中，混凝土强度等级为c50，65.500标高处1区域几何尺寸为1400×2500mm，其配筋受裂缝控制，准永久组合下主要受合力为：轴向拉力(n)15700kn，绕x轴弯矩(mx)4610kn·m，绕y轴弯矩(my)930kn·m，x向剪力(qx)557kn，y向剪力(qy)-71kn。据此计算得，配置钢骨(q345)截面ⅱ1900×1100×25×70mm，配置钢筋为8436，箍筋为10@200。同理对其他区域进行配筋设计，得到标高65.500处整个截面配筋如图5所示。

本发明实施例的方法可用于任意形状截面钢筋混凝土构件，采用实体建模，计算截面选取间距，合理选取计算截面，对应力分区域积分得到内力，进行配筋设计，从而使任意形状截面钢筋混凝土构件在结构中的应用成为可能，提高了结构设计的灵活性，可以增加使用面积，提供更加丰富、个性化的外观，分区域配筋可以使钢筋配置更加合理，节省材料。

以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时本领域的一般技术人员，根据本发明的实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。