螺旋壳体结构体系及其设计方法与流程

本发明涉及建筑结构设计，尤其涉及一种螺旋壳体结构体系及其设计方法。

背景技术：

1、壳体结构是由空间曲面型板或加边缘构件组成的空间曲面结构，壳体的厚度远小于壳体的其他尺寸，因此壳体结构具有很好的空间传力性能，能以较小的构件厚度形成承载能力高、刚度大的承重结构，能覆盖或维护大跨度的空间而不需要空间支柱，能兼承重结构和围护结构的双重作用，从而节约结构材料。

2、随着建筑形式的多样化发展，以及现在人们审美的多角度需求，建筑造型和工艺也随之创新，突破了原有样式，出现了众多造型各异的建筑。在各式各样的异型建筑中螺旋式建筑以其造型优美，感官冲击力强备受建筑师的喜爱。但是在设计和建造螺旋式建筑时，往往只将螺旋式构件作为整体建筑的局部或外围装饰，而未能体现螺旋建筑结构的整体魅力，也未能更好的体现与其他结构联合的多样化设计。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种螺旋壳体结构体系及其设计方法，该螺旋壳体结构体系可以独立承载独立使用，也可以在更复杂的结构体系中作为具有高强度和大刚度的结构组成部分。

2、为达到上述目的，本发明提供一种螺旋壳体结构体系，包括设置在基础上的核心柱及至少两个螺旋壳体，所述螺旋壳体以所述核心柱为中心由下往上呈螺旋状延伸，且各所述螺旋壳体在以所述核心柱为中心的环向上错位延伸，所述螺旋壳体的内环面与所述核心柱连接。

3、可选的，所述螺旋壳体的数量为两个，且两个所述螺旋壳体以所述核心柱为中心对称轴呈空间中心对称。

4、可选的，所述核心柱为钢筋混凝土柱、钢柱或钢-混凝土组合柱。

5、可选的，所述核心柱为钢筋混凝土柱或钢-混凝土组合柱，所述核心柱内布置有若干纵向钢筋和若干水平箍筋。

6、可选的，所述螺旋壳体为钢筋混凝土壳、钢壳域或钢-混凝土组合壳。

7、可选的，所述螺旋壳体为钢筋混凝土壳或钢-混凝土组合壳，所述螺旋壳体内布置有正交钢筋，所述正交钢筋包括以所述核心柱为中心的径向钢筋和环向钢筋，所述正交钢筋为多层且沿所述螺旋壳体的厚度方向布置，相邻两层正交钢筋之间间隔设置有若干拉结钢筋。

8、基于此，本发明还提供了一种如上所述的螺旋壳体结构体系的设计方法，包括以下步骤：

9、s1、建立螺旋壳体结构体系的第一有限元模型，其中，核心柱采用杆单元，螺旋壳体采用壳单元；

10、s2、对所述第一有限元模型进行计算，计算得到所述螺旋壳体结构体系的变形和内力；

11、s3、调整所述第一有限元模型的参数以得到变形和内力满足要求的第二有限元模型；

12、s4、进行所述核心柱的截面设计；

13、s5、进行所述螺旋壳体的截面设计；

14、s6、在所述第二有限元模型的基础上根据确定的所述核心柱和所述螺旋壳体的截面设计建立精细的第三有限元模型，考虑几何非线性和材料非线性进行有限元分析，基于分析结果复核所述螺旋壳体结构体系的竖向极限承载力，若复核通过，则完成结构设计；反之，则调整所述第三有限元模型的参数返回步骤s2。

15、可选的，所述s4具体包括以下步骤：

16、s41：根据最小配筋率进行所述核心柱的纵向钢筋布置；

17、s42：基于所述核心柱的截面和所述纵向钢筋布置计算各个截面的pmm曲面；

18、s43：将不同工况组合下每个核心柱单元的轴力和弯矩内力点与所述pmm曲面绘制在一起，若所述轴力和弯矩内力点都位于所述pmm曲面内，说明当前截面满足正截面要求，否则增加纵向钢筋布置并返回步骤s42；

19、s44：根据不同工况组合下每个核心柱单元的扭矩和剪力，对所述核心柱进行水平箍筋设计。

20、可选的，在所述s1中，以所述核心柱为中心的径向、以所述核心柱为中心的环向以及面法向方向为坐标轴，建立所述螺旋壳体的空间局部坐标系。

21、可选的，所述s5具体包括以下步骤：

22、s51：根据最小配筋率进行所述螺旋壳体的正交钢筋布置，所述正交钢筋包括以所述核心柱为中心的径向钢筋和环向钢筋；

23、s52：将所述螺旋壳体在环向和径向上每个单位宽度的壳体部分近似看待为矩形截面，所述矩形截面的宽度为单位宽度，所述矩形截面的高度为所述螺旋壳体的厚度；

24、s53：基于所述矩形截面和所述正交钢筋布置计算各个矩形截面的pmm曲面；

25、s54：将不同工况组合下每个壳体单元的轴力和弯矩内力点与所述pmm曲面绘制在一起，若所述轴力和弯矩内力点都位于所述pmm曲面内，说明当前截面满足正截面要求，否则增加相应方向的钢筋布置并返回步骤s53；

26、s55：基于所述正交钢筋布置结果，结合剪扭钢筋需求，对所述螺旋壳体进行拉结钢筋设计。

27、在本发明提供的一种螺旋壳体结构体系及其设计方法中，该螺旋壳体结构体系不仅可承受自身的竖向荷载和水平作用，还可以为周边结构提供竖向和水平的受力支撑，因此，该螺旋壳体结构体系可以独立承载独立使用，也可以在更复杂的结构体系中作为具有高强度和大刚度的结构组成部分，如可以作为其他梁式结构支座，形成更大的使用空间和螺旋屋面，或作为悬挑结构的锚固，形成悬挑楼梯、坡道等，进而能够实现大跨度、美观的无柱大空间。

技术特征：

1.一种螺旋壳体结构体系，其特征在于，包括设置在基础上的核心柱及至少两个螺旋壳体，所述螺旋壳体以所述核心柱为中心由下往上呈螺旋状延伸，且各所述螺旋壳体在以所述核心柱为中心的环向上错位延伸，所述螺旋壳体的内环面与所述核心柱连接。

2.根据权利要求1所述的螺旋壳体结构体系，其特征在于，所述螺旋壳体的数量为两个，且两个所述螺旋壳体以所述核心柱为中心对称轴呈空间中心对称。

3.根据权利要求1所述的螺旋壳体结构体系，其特征在于，所述核心柱为钢筋混凝土柱、钢柱或钢-混凝土组合柱。

4.根据权利要求1或3所述的螺旋壳体结构体系，其特征在于，所述核心柱为钢筋混凝土柱或钢-混凝土组合柱，所述核心柱内布置有若干纵向钢筋和若干水平箍筋。

5.根据权利要求1所述的螺旋壳体结构体系，其特征在于，所述螺旋壳体为钢筋混凝土壳、钢壳或钢-混凝土组合壳。

6.根据权利要求1或5所述的螺旋壳体结构体系，其特征在于，所述螺旋壳体为钢筋混凝土壳或钢-混凝土组合壳，所述螺旋壳体内布置有正交钢筋，所述正交钢筋包括以所述核心柱为中心的径向钢筋和环向钢筋，所述正交钢筋为多层且沿所述螺旋壳体的厚度方向布置，相邻两层正交钢筋之间间隔设置有若干拉结钢筋。

7.一种根据权利要求1-6中任一项所述的螺旋壳体结构体系的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的螺旋壳体结构体系的设计方法，其特征在于，所述s4具体包括以下步骤：

9.根据权利要求7所述的螺旋壳体结构体系的设计方法，其特征在于，在所述s1中，以所述核心柱为中心的径向、以所述核心柱为中心的环向以及面法向方向为坐标轴，建立所述螺旋壳体的空间局部坐标系。

10.根据权利要求7所述的螺旋壳体结构体系的设计方法，其特征在于，所述s5具体包括以下步骤：

技术总结
本发明涉及建筑结构设计技术领域，尤其涉及一种螺旋壳体结构体系及其设计方法，所述螺旋壳体结构体系包括设置在基础上的核心柱及至少两个螺旋壳体，所述螺旋壳体以所述核心柱为中心由下往上呈螺旋状延伸，且各所述螺旋壳体在以所述核心柱为中心的环向上错位延伸，所述螺旋壳体的内环面与核心柱连接。本发明提供的螺旋壳体结构体系不仅可承受自身的竖向荷载和水平作用，还可以为周边结构提供竖向和水平的受力支撑，因此，该螺旋壳体结构体系可以独立承载独立使用，也可以在更复杂的结构体系中作为具有高强度和大刚度的结构组成部分，如可以作为其他梁式结构支座，形成更大的使用空间和螺旋屋面，或作为悬挑结构的锚固，形成悬挑楼梯、坡道等。

技术研发人员：包联进,陈建兴,邱介尧
受保护的技术使用者：华东建筑设计研究院有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15