基于传力路径的钢筋混凝土复杂受力构件配筋设计方法技术

本发明专利技术属于土木工程的结构设计技术领域，具体涉及基于传力路径的钢筋混凝土复杂受力构件配筋设计方法，主要用于不符合平截面假定的钢筋混凝土复杂受力构件的配筋设计，比如深梁、剪力墙等，包括（1）获取钢筋混凝土复杂受力构件的传力路径；（2）根据传力路径来进行构件的配筋设计；（3）钢筋归并与整理；（4）对构件进行构造设计。本发明专利技术以传力路径为出发点进行钢筋混凝土复杂受力构件的配筋设计的这一想法，能够改变传统经验设计方法粗糙设计以致精度较低和仅基于试验统计以致理论支撑不够的局面，为如今难以较为准确求解的复杂受力结构构件或者新型材料的配筋设计提供一种新的技术思路。

【技术实现步骤摘要】
基于传力路径的钢筋混凝土复杂受力构件配筋设计方法
本专利技术属于土木工程的结构设计
，具体涉及基于传力路径的钢筋混凝土复杂受力构件配筋设计方法，主要用于不符合平截面假定的钢筋混凝土复杂受力构件的配筋设计，比如深梁、剪力墙等。
技术介绍
在土木工程中的结构设计行业中，对于有着复杂应力分布的二维构件，例如剪力墙结构，变形已完全不符合平截面假定，因此简化成杆系结构进行设计是极不合理的。关于钢筋混凝土复杂受力构件中的剪力墙的配筋设计问题，中国、美国对剪力墙的设计思想如下：1)中国现行的《混凝土结构设计规范》GB50010-2010的第6章第二节中给出了剪力墙的配筋计算方法仍是按一般受弯构件进行偏心受拉或者偏心受压进行配筋计算、《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010的第7章对矩形、T形和I形的偏心受压剪力墙肢推荐了经验方法来计算其正截面受压承载力的配筋设计，这些方法大多是以平截面假定为基础，通过一系列试验对其进行数据修正的经验或半经验方法为主。2)美国的“混凝土结构设计规范”ACI318-14的第11.8节和第14章也给出了经验方法的建议，可见，各国规范在进行剪力墙的配筋设计时，大多仍以平截面假定为基础，类比框架柱进行设计，规范第23章也推荐了把拉压杆模型方法进行设计应用到剪力墙设计中来，根据复杂受力构件的受力特点将其划分为B区域和D区域，B区域代表符合平截面假定的区域，而D区域表示不符合平截面假定的区域，建立拉压杆模型进行配筋设计，但是其忽略混凝土构件的非线性特点等原因，仍然存在一定的缺陷。以平截面假定为基础的各国规范对剪力墙的配筋设计大多是不合理的，当国内外学者认识到这一点后，应力设计方法开始流行。GB50010-2010在给出经验方法的同时也给出了应力设计方法的建议，建议二维或三维非杆系结构构件，当按弹性或弹塑性分析方法得到构件的应力设计值分布后，可根据主拉应力设计值的合力在配筋方向的投影确定配筋量，按主拉应力的分布区域确定钢筋布置；ACI318-14也建议了墙高的设计不超过其墙受水平剪力长度的2倍时可采用拉压杆模型设计方法，因此就现如今的技术而言，缺少能够对于复杂受力构件而言直接应用的配筋方法。现如今各国剪力墙设计规范大多是经验设计方法，此设计方法大部分都是通过大量试验和经验总结出来的一套理论，并且这种方法还是以平截面假定为基础，类比框架柱进行设计，这是不合理的。
技术实现思路
针对上述技术问题，本专利技术提供一种基于传力路径的钢筋混凝土复杂受力构件配筋设计方法，通过利用钢筋混凝土复杂受力构件的传力路径进行配筋设计，从传力路径出发，力学概念清晰，能够较准确的反映复杂受力构件的受力状态，设计更加准确。具体技术方案为：基于传力路径的钢筋混凝土复杂受力构件配筋设计方法，大致分为四步：(1)获取钢筋混凝土复杂受力构件的传力路径；(2)根据传力路径进行构件的配筋初步设计；(3)钢筋归并与整理；(4)对构件进行构造设计。详细的过程为：(1)获取复杂受力构件的传力路径，主要有以下几种方法：(1.1)有限元分析方法：首先获取传力路径可以使用有限元分析的应力结果得到，图1中建立坐标系，在任意的坐标系方向的荷载在作用位置到反作用位置的传递通道内的荷载数值恒定；利用此方法求解有限元单元格上的荷载路径的外轮廓线的切线及其角度，如图2，然后利用流线追踪法求得整个连续的传力路径的外轮廓线；首先应该满足对任意方向上合力为零，则在点E上有：σnsinθds＝τntcosds(1)σn、τnt为E点在x方向的法向应力和切向应力，则有σn、τnt与σx、σy以及σxy的关系：σn＝σxsin2θ+σycos2θ-2τxysinθcosθ(2)τnt＝(σy-σx)sinθcosθ+τxy(cos2θ-sin2θ)(3)将(1)式改为将式(2)(3)代入得：得到：σxtan3θ-τxytan2θ+σxtanθ-τxy＝0(4)设得到：(tan2θ+1)(tanθ-α)＝0(5)当时即得到荷载路径轮廓线与x轴的夹角：(1.2)演化类优化算法演化算法——ESO：是所有演算类算法的基础，通过给出一定的单元删除标准，删除无效或低效应力单元，然后逐步提高删除标准来进行不断优化，直到多次迭代后优化停止，来使得结构逐渐趋于优化。遗传演化优化算法——GESO：以ANSYS分析软件为工具建立钢筋和混凝土分离式模型，用Link10单元来模拟钢筋，Solid65单元来模拟混凝土，具体流程步骤如下：a.考虑复杂受力构件的边界条件及其荷载条件来利用ANSYS软件建立钢筋和混凝土的分离式模型。b.划分有限元单元格，再为每个钢筋单元赋予二进制串长为n的染色体，染色体中的基因都为1。c.对结构进行有限元分析，获得结构响应。d.计算钢筋单元的灵敏度，并且对灵敏度值的大小进行排序，然后根据优化目标对较后若干单元按一定概率使其为1的基因变为0。e.选定一定的杂交率进行整个群体的杂交运算。f.如果某个钢筋单元对应的染色体中基因全为0则舍去此钢筋单元。g.重复第3步-第6步，直到满足结构预设的中止条件或者满足预期要求时停止，得到最后拓扑优化图形同时也是传力路径图形。双向渐进结构优化算法——BESO：在ESO的基础上，不仅仅能删除结构低效或无效单元还可以在高应力单元或高灵敏度单元区域增加单元，以使结构达到最优。遗传递增演化算法——GAESO：利用“优胜劣汰，适者生存”的原理，在递增演化算法的基础上引入遗传演化算法，建立有限元模型，划分单元，选定初始结构和约束条件，之后进行有限元分析使得适应度较高单元附近有概率的增加单元，再逐步增加荷载，达到预定荷载后继续进行迭代直到满足收敛条件，从而使得结构达到最优。(2)根据传力路径来进行构件的配筋设计的具体方法步骤如下：a.由第一步得出的传力路径包括了受压路径和受拉路径，设计时，可以通过结构力学求解器等力学求解软件通过建立桁架模型，输入荷载条件来判断传力路径是受拉还是受压，并且还可以得到每条传力路径的受力大小。b.由于传力路径不会是规则的几何图形，又考虑到施工的方便性和可实施性，因此必须把不规则的传力路径规则化和简化，具体为：对于每条传力路径，均使用一组平行线把传力路径包围住。例如图3和图4所示，即把GESO优化结果进行整理后的结果。c.把b步骤的整理结果划分出单独的受拉或者受压区域，再结合步骤a得到的受力大小，即得到每个区域所受拉力或者压力的大小；接下来基于得到的传力路径进行配筋设计：①对于受压区域：由于钢筋混凝土构件，混凝土主要承担压应力，钢筋所承受的压应力可以忽略不计，因此应该先比较此构件所受压应力和混凝土抗压强度相比较进行强度校核：其中N为压力，A为截面面积(A为此条传力路径的宽度与此构件厚度的乘积)，fc为混凝土抗压强度设计值；满足上式即表明此构件尺寸和混凝土强度等级选取合理可以进行下一步配筋设计；沿着传力路径方向：仅满足规范要求(《混凝土结构设计规范GB50010-2012》中8.5.1)的受压构件的最小配筋率要求即可；垂直于传力路径方向：由于泊松效应，沿传力路径方向的压应变会引起垂直于传力路径方向会产生拉应变，因此需要对垂直于传力路径方向配置箍筋对垂直于传力路径方向进行约束，具体按柱的的箍筋配置规范(《混凝土结构设本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于传力路径的钢筋混凝土复杂受力构件配筋设计方法，其特征在于，包括如下创新步骤及方法：(1)基于有限元分析方法、演化类优化算法、双向渐进结构优化算法、遗传递增演化算法等方法获取复杂受力构件的传力路径；(2)基于传力路径的力学极限平衡计算，进行构件的配筋初步设计；(3)基于等强度方法、间距等效方法及其它连接归并等方法，完成钢筋归并与整理；(4)根据规范使构件满足构造要求：根据《混凝土结构设计规范GB50010‑2012》，构件需满足下述要求：a.对于剪力墙应该双排配置分布钢筋网且沿墙的两个侧面布置，采用拉筋连系，拉筋直径大于等于6毫米，间距不大于600毫米；b.钢筋的锚固长度要求：

【技术特征摘要】
1.基于传力路径的钢筋混凝土复杂受力构件配筋设计方法，其特征在于，包括如下创新步骤及方法：(1)基于有限元分析方法、演化类优化算法、双向渐进结构优化算法、遗传递增演化算法等方法获取复杂受力构件的传力路径；(2)基于传力路径的力学极限平衡计算，进行构件的配筋初步设计；(3)基于等强度方法、间距等效方法及其它连接归并等方法，完成钢筋归并与整理；(4)根据规范使构件满足构造要求：根据《混凝土结构设计规范GB50010-2012》，构件需满足下述要求：a.对于剪力墙应该双排配置分布钢筋网且沿墙的两个侧面布置，采用拉筋连系，拉筋直径大于等于6毫米，间距不大于600毫米；b.钢筋的锚固长度要求：lab——受拉钢筋的基本锚固长度，单位mm；d——锚固钢筋的直径，单位mm；α——锚固钢筋的外形系数；受拉钢筋的锚固长度；la＝ξalabla——受拉钢筋的锚固长度，单位mm；ξa——锚固长度修正系数对于普通钢筋按规范8.3.2条的规范使用。2.根据权利要求1所述的基于传力路径的钢筋混凝土复杂受力构件配筋设计方法，其特征在于，步骤(2)根据传力路径进行构件配筋初步设计的具体创新方法如下：(1)由第一步得出的传力路径包括了受压路径和受拉路径，通过建立桁架模型，输入荷载条件来判断传力路径是受拉还是受压，得到每条传力路径的受力大小；(2)把不规则的传力路径规则化和简化；(3)把b步骤的整理结果划分出单独的受拉或者受压区域，再结合步骤a得到的受力大小，即得到每个区域所受拉力或者压力的大小；接下来基于得到的传力路径进行配筋设计：a.对于受压区域：由于钢筋混凝土构件，混凝土主要承担压应力，钢筋所承受的压应力可以忽略不计，因此应该先比较此构件所受压应力和混凝土抗压强度相比较进行强度校核：其中N为压力，单位N，A为截面面积，单位mm2，即此条传力路径的宽...

【专利技术属性】
技术研发人员：张鹄志，徐文韬，黄垚森，杨彤麟，
申请(专利权)人：湖南科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43