一种非杆系钢筋混凝土结构的配筋计算方法与流程

本发明涉及水利、市政，具体涉及一种非杆系钢筋混凝土结构的配筋计算方法。

背景技术：

1、市政水利工程中常见的非杆系钢筋混凝土结构等结构配筋计算方法有两种，一种方法是截取整体结构典型代表断面按照杆系结构进行等效计算，算得内力结果后进行配筋计算。但是非杆系钢筋混凝土结构往往比较复杂，典型断面不能准确反映结构实际受力情况，一般选取最不利断面计算结果进行内力计算，计算结果偏大，导致结构配筋量增大，造成浪费。另一种方法是采用三维有限元方法，建立建筑物与地基的三维实体模型，进行应力计算，此种方法能够反映结构的实际受力情况，得到结构在弹性状态下的截面应力图形，再根据主拉应力图形面积，按照主拉应力确定配筋数量。但是这种方法理论上并不完善，一般情况下配筋偏于保守，且主拉应力方向和实际配筋方向往往不一致、不便确定布筋的方向，难以确定结构各个方向的配筋数量。

技术实现思路

1、发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种非杆系钢筋混凝土结构的配筋计算方法，将桩、杆等细长结构采用一维单元替代，墩、墙、板、梁等结构采用二维单元替代，并对整体模型进行合理的耦合连接，将原本三维实体单元有限元计算等效变换为一维线单元、二维板单元、三维实体单元耦合结构有限元计算，真实反映结构受力的同时，能够直接获取建筑物各个部位的内力，不仅可以优化结构配筋方式及数量，还使原本复杂的非杆系钢筋混凝土结构，可以按照杆系钢筋混凝土结构采用的结构力学方法，利用内力进行结构配筋。

2、技术方案：本发明公开一种非杆系钢筋混凝土结构的配筋计算方法，包括如下步骤：

3、将桩、杆细长结构采用一维单元替代，墩、墙、板、梁结构采用二维单元替代，并对整体水工建筑物模型进行耦合连接；

4、将原本三维实体单元有限元计算等效变换为一维线单元、二维板单元、三维实体单元耦合结构有限元计算；

5、获取水工建筑物各个部位的弯矩值、剪力值、平面力，按照杆系钢筋混凝土结构采用的结构力学方法，利用内力进行结构配筋。

6、进一步地，将桩、杆细长结构采用timoshenko一维单元替代，墩、墙、板、梁结构采用基于mindlin-reissnerplate theory开发的dkmt、dkmq二维单元替代时，先确定水工建筑物结构受力的等效面，底板、墩、墙、梁结构取中心面位置，顶板、工作桥取顶面位置。

7、进一步地，在等效面位置，建立相应的几何模型，所述几何模型的一个面与等效面的尺寸相等、位置相同，并将几何模型导入三维有限元软件中，提取需要的几何面，并将辅助几何图形删除得到替代后的水工建筑物模型。

8、进一步地，对整体模型进行耦合连接时，在三维有限元软件中导入地基模型，将水工建筑物模型与地基模型耦合连接，通过布尔运算合并为面组，设置好各结构部位属性参数后，进行网格划分。

9、进一步地，将水工建筑物模型与地基模型耦合连接时，不考虑地基与水工建筑物之间的界面连接，底板与地基土直接耦合，具体过程为：

10、1)将水工建筑物与地基土接触的边缘线印刻在地基模型上；

11、2)然后把水工建筑物所有结构通过布尔运算合并为面组；

12、3)设置好各结构部位属性参数后，进行网格划分。

13、进一步地，将水工建筑物模型与地基模型耦合连接时，考虑地基与水工建筑物之间的界面连接，底板与地基土之间通过界面单元进行耦合，具体如下：

14、1)删除水工建筑物模型作为底板的等效面，然后把水工建筑物剩余结构通过布尔运算合并为面组；

15、2)建立一个底面与水工建筑物底板等效面形状一致、位置相同的辅助立方体；

16、3)将水工建筑物墩墙底部边缘线印刻于辅助立方体的底面；

17、4)将辅助立方体模型与地基模型进行自动连接；

18、5)在对水工建筑物墩墙及辅助立方体的底部边缘线进行同尺寸播种后，即确定将要生成节点的位置，进行上端水工建筑物进行网格划分；

19、6)先进行辅助立方体的网格划分，然后对地基土模型进行网格划分；

20、7)生成辅助立方体网格模型与地基土网格模型之间的界面单元，设置界面单元相关计算参数，包括法向刚度模量kn及切向刚度模量kt；

21、8)从辅助立方体网格模型的底面析取出水工建筑物底板网格模型，并检查所析取出的底板网格模型是否与上端水工建筑物的网格模型耦合。

22、进一步地，界面材料参数通过以下公式计算：

23、

24、其中，e为地基土的弹性模量，取值范围0.35～100mpa，根据地基土类型确定；vi为界面的泊松比；vsoil为地基土的泊松比，取值范围0.15～0.45，根据地基土类型确定。

25、进一步地，在将原本三维实体单元有限元计算等效变换为一维线单元、二维板单元、三维实体单元耦合结构有限元计算时，施加相应计算工况边界条件及荷载，并设置施工阶段和分析工况；

26、边界条件具体为：地基侧面采用法向位移约束，地基底面采用铰接约束；

27、荷载组合具体为：

28、(1)完建期工况建筑物基础所受荷载：包括水工建筑物及地基基础所受重力、设备、金属结构荷载、水工建筑物侧面所受侧向土压力、水工建筑物上部房屋荷载、水工建筑物所受风荷载；

29、(2)水工建筑物墩墙受侧面地下水位引起的侧向水压力、水工建筑物底板底部受地下渗流引起的竖直向上扬压力作用、水工建筑物底板底部因上下游水头差引起的竖直向上渗透压力作用、水工建筑物承受的浪压力、水工建筑物受到顶部车道荷载；

30、(3)地震工况下，地震惯性力的影响，水工建筑物所受上部房屋地震荷载。

31、进一步地，获取水工建筑物各个部位的弯矩值、剪力值、平面力，具体为：

32、保留想获取部位的单元，点击shell elementforces选项下的x方向弯矩、y方向弯矩，分别获取建筑物顺水流向及垂直水流向的弯矩，点击shell elementforces选项下的x方向平面力、y方向平面力，分别获取建筑物顺水流向及垂直水流向的平面力，点击shellelement forces选项下的xz平面上的剪力、tyz平面上的剪力，分别获取建筑物顺水流向及垂直水流向的剪力；同时，点击displacements选项获得建筑物及地基的沉降及位移值，点击shell element stresses项下获得建筑物及地基的应力值。

33、进一步地，利用内力进行结构配筋计算、裂缝开展宽度及构件挠度验算，建筑物各部位根据受力特点、提取相应的弯矩值、剪力值、平面力，按照正截面受弯构件、正截面受压构件、正截面受拉构件、斜截面受剪构件、局部受压构件进行承载能力极限状态计算，获得配筋量。

34、有益效果：

35、1、本发明将桩、杆等细长结构采用一维单元替代，墩、墙、板、梁等结构采用二维单元替代，并对整体模型进行合理的耦合连接，将原本三维实体单元有限元计算等效变换为一维线单元、二维板单元、三维实体单元耦合结构有限元计算，真实反映结构受力的同时，能够直接获取建筑物各个部位的内力，不仅可以优化结构配筋方式及数量，还使原本复杂的非杆系钢筋混凝土结构，可以按照杆系钢筋混凝土结构采用的结构力学方法，利用内力进行结构配筋。

36、2、采用界面单元，能够更真实的模拟地基与建筑物之间的位移变形，计算结果更准确，且避免建筑物与构件连接的交点位置出现应力集中的错误。