中华人民共和国行业标准
钢筋混凝土薄壳结构设计规程
Specification for design of reinforced concrete shell structures
JGJ 22-2012
备案号 J 1400-2012
批准部门:中华人民共和国住房和城乡建设部
施行日期:2 0 1 2 年 8 月 1 日
中华人民共和国住房和城乡建设部公告
第1325号
关于发布行业标准《钢筋混凝土薄壳结构设计规程》的公告
现批准《钢筋混凝土薄壳结构设计规程》为行业标准,编号为JGJ 22-2012,自2012年8月1日起实施。其中,第3.2.1条为强制性条文,必须严格执行。原行业标准《钢筋混凝土薄壳结构设计规程》JGJ/T 22-98同时废止。
本规程由我部标准定额研究所组织中国建筑工业出版社出版发行。
中华人民共和国住房和城乡建设部
2012年3月1日
前言
根据住房和城乡建设部《关于印发<2008年工程建设标准规范制订、修订计划(第一批)>的通知》 (建标[2008]102号)的要求,本规程编制组经调查研究,认真总结实践经验,参考有关国际标准和国外先进标准,并在广泛征求意见的基础上,修订本规程。
本规程的主要技术内容是:总则、术语和符号、基本规定、结构分析、圆形底旋转壳、双曲扁壳、圆柱面壳、双曲抛物面扭壳、膜型扁壳等,包括了钢筋混凝土薄壳结构的基本形式、基本要求、计算分析、构造要求等。
本次修订的主要技术内容是:新增“结构分析”一章,增加采用有限元方法分析的要求和规定;与其他相关标准协调;对原规程的薄壳计算公式和系数表进行了适当精简。
本规程中以黑体字标志的条文为强制性条文,必须严格执行。
本规程由住房和城乡建设部负责管理和对强制性条文的解释,由中国建筑科学研究院负责具体技术内容的解释。执行本规程过程中如有意见或建议,请寄送中国建筑科学研究院(地址:北京市北三环东路30号,邮政编码:100013)。
本规程主编单位:中国建筑科学研究院
本规程参编单位:清华大学
浙江大学
浙江省建筑设计研究院
华南理工大学建筑设计研究院
本规程主要起草人员:宋涛 董石麟 赵基达 袁驷 焦俭 方小丹 赵阳 叶康生 刘枫 董智力
本规程主要审查人员:柯长华 张维嶽 胡绍隆 白生翔 曹资 娄宇 范重 顾渭建 朱丹
1 总则
1.0.1 为在钢筋混凝土薄壳结构的设计中贯彻执行国家的技术经济政策。做到安全适用、技术先进、经济合理、确保质量,制定本规程。
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1.0.2 本规程适用于房屋和一般构筑物的现浇或装配整体式钢筋混凝土及预应力混凝土薄壳结构的设计。
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1.0.3 钢筋混凝土及预应力混凝土薄壳结构的设计,除应符合本规程外,尚应符合国家现行有关标准的规定。
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2 术语和符号
2.1 术语
2.1.1 壳板 shell plate
由两个曲面所限定,且此两曲面之间的距离远比曲面尺寸小的物体。
2.1.2 壳体 shell structure
由壳板(有时壳板上还有加劲肋)与其边缘构件组成的具有规定承载力的结构。
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2.1.3 壳板中曲面 middle surface of shell
在理论分析时能定义壳板抽象形体的曲面,一般为距壳板两个表面等距离的点组成的曲面。
2.1.4 壳板厚度 thickness of shell
壳板两曲面间的法线长度。
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2.1.5 壳板矢高 rise of shell plate
壳板中曲面最高处到壳板底平面的最大竖直距离。
2.1.6 壳体矢高 rise of shell structure
壳板中曲面最高处到壳体底平面的最大竖直距离。
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2.1.7 薄壳 thin shell
厚度与中曲面最小曲率半径之比不大于1/20的壳体。
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2.1.8 扁壳 shallow shell
矢高与最小跨度之比不大于1/5的壳体。
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2.1.9 旋转壳 shell of revolution
以平面曲线为母线,绕一轴线旋转而形成中曲面的壳体。
2.1.10 球面壳 spherical shell
以圆弧线为母线,绕经过圆弧中心的轴线旋转而形成中曲面的壳体。
2.1.11 椭球面壳 rotational ellipsoidal shell
以椭圆线为母线,绕椭圆轴线旋转而形成中曲面的壳体。
2.1.12 旋转抛物面壳 rotational paraboloid shell
以抛物线为母线,绕抛物线的轴线旋转而形成中曲面的壳体。
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2.1.13 移动面壳体 translational shell
以直线或平面曲线为母线,在空间沿两条准线移动而形成中曲面的壳体。
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2.1.14 双曲扁壳 double curvature shallow shell
母线及准线均为单侧平面曲线(一般为抛物线或圆弧线)、具有正高斯曲率中曲面的移动面扁壳。
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2.1.15 圆柱面壳 cylindrical shell
母线为直线、准线为圆弧线的移动面壳体。
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2.1.16 双曲抛物面壳 hyperbolic paraboloid shell
母线为抛物线、准线为单侧平面曲线,具有负高斯曲率的移动面壳体。
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2.1.17 膜型扁壳 membrane shell
两个主压应力方向上的截面内力彼此基本相等的扁壳。
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2.1.18 壳板薄膜内力 membrane forces of shell
壳板中曲面内的轴向力和剪力。
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2.1.19 边缘扰力 edge effect
在壳板与边缘构件连接处,由于位移协调而产生的内力。
2.2 符号
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2.2.1 荷载
qn——壳板中曲面上法向的均布荷载;
qz——壳板中曲面上z轴方向的均布荷载;
qφ——旋转壳壳板中曲面上分布荷载的经向分量;
Qz——旋转壳壳板计算截面以上部分的总竖向外荷载;
s——壳板中曲面的水平投影面上的均布雪荷载;
sn——壳板中曲面上分布雪荷载的法向分量。
2.2.2 作用效应
ct——温度效应计算系数;
m1、m2——壳板平行于y、x轴截面上的分布弯矩;
mt——壳板截面上的分布扭矩;
mφ——旋转壳壳板截面上经向的分布弯矩;
mφa、mφo——旋转壳壳板外环、内环处截面上经向的分布弯矩;
——旋转壳壳板外环、内环边缘处经向弯矩的修正值;
n1、n2——壳板截面上中曲面x、y轴切线方向的分布轴向力;
nφ、nθ——旋转壳壳板截面上经向、环向的分布轴向力;
nφa、nφo——旋转壳壳板外环、内环处截面上经向的分布轴向力;
一一旋转壳壳板外环、内环边缘处经向轴向力的修正值;
n1m、n2m、vm——壳板截面上沿x、y、z方向的分布薄膜内力;
R——结构构件的抗力设计值;
S——作用组合的效应设计值;
vn——壳板截面上的法向分布剪力;
vct——双曲扁壳壳板角点处的分布剪力;
vt——壳板截面上切向的分布剪力;
vφn——旋转壳壳板垂直于经向的截面上法向的分布剪力;
u、v、w——壳体x、y、z轴方向的位移;
uhm——旋转壳壳体按薄膜理论计算的水平位移;
τm——壳板截面上薄膜剪应力;
Ψφm——旋转壳壳体按薄膜理论计算的经向转角。
2.2.3 几何特征
B——圆柱面壳的宽度,即圆柱面壳直线边梁间的水平距离;
f——壳板的矢高;
ftot——壳体的矢高;
fa、fb——双曲扁壳a边、b边上的矢高;
l——圆柱面壳的跨度,即圆柱面壳横隔的间距;构件长度;
r1、r2——旋转壳中曲面上任意点经向、环向的曲率半径;
ra、ro——壳板外环、内环边缘处的旋转半径;
rs——球面壳的曲率半径;等曲率壳的曲率半径;
s1——旋转壳壳体沿经线方向由旋转轴至外环边缘的弧长;
s2——旋转壳壳体沿经线方向由内环边缘至外环边缘的弧长;
sa、so——旋转壳由壳体外环、内环边缘至计算位置的经向弧长;
t——壳板厚度;
φa、φO——旋转壳外、内环边缘处环向曲率半径方向与旋转轴间的夹角;
κ——等曲率壳的中曲面曲率;
κ1、κ2——壳板中曲面两个方向的主曲率;
κt——壳板中曲面的扭曲率。
2.2.4 其他
C——壳体的特征长度参数;
Ca、Co——旋转壳外环、内环边缘处的特征长度参数;
C1、C2——双曲扁壳x、y轴方向的特征长度参数;
D——壳板截面的分布刚度;或带肋壳的壳板与肋的总刚度;
Ec——混凝土的弹性模量;
αc——混凝土的线膨胀系数。
3 基本规定
3.1 结构选型
3.1.1 薄壳结构的形式应根据建筑设计要求、施工技术条件和经济合理性确定。
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3.1.2 底面为圆形的壳体形式可采用球面壳、椭球面壳、旋转抛物面壳和膜型扁壳。
3.1.3 底面为矩形的壳体形式可采用双曲扁壳、圆柱面壳、双曲抛物面扭壳和膜型扁壳。
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3.1.4 周边支承的矩形底面双曲扁壳、双曲抛物面扭壳和膜型扁壳,其底面长度与宽度的比值宜小于2。
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3.1.5 当壳体上荷载分布变化较大,或圆形底面直径大于10m、矩形底面边长大于8m时,不宜采用膜型扁壳。
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3.2 极限状态设计规定
3.2.1 薄壳结构构件的承载能力极限状态设计应采用下列设计表达式:
γ0S≤R (3.2.1)
式中:γ0——结构重要性系数,应符合现行国家标准《工程结构可靠性设计统一标准》GB 50153等的规定;
S——承载能力极限状态下作用组合的效应设计值,对持久设计状况和短暂设计状况应按作用的基本组合计算,对偶然设计状况应按作用的偶然组合计算,对地震设计状况应按作用的地震组合计算;
R——结构构件的抗力设计值,应按现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB 50010的规定计算;在抗震设计时,应除以承载力抗震调整系数γRE;对壳板及其边缘构件,γRE应取1.0。(自2022年4月1日起废止该条,点击查看:新规《混凝土结构通用规范》GB 55008-2021)
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3.2.2 薄壳结构构件的正常使用极限状态设计应根据不同要求按下式进行验算:
S≤C (3.2.2)
式中:S——正常使用极限状态下作用组合的效应设计值;
C——结构构件达到正常使用要求所规定的裂缝宽度、变形等的限值。
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3.2.3 薄壳结构的耐久性设计应符合现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB 50010的规定。
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3.2.4 壳板的自重荷载可按壳板的实际总重力折算成平均厚度的重力进行计算。
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3.2.5 对旋转壳、圆柱面壳和双曲抛物面扭壳,应考虑风荷载对壳板的影响;对扁球壳、双曲扁壳、双曲抛物面扁扭壳和膜型扁壳,可不考虑风荷载对壳板的影响。对各类壳体均应考虑风荷载对边缘构件的影响。
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3.2.6 壳体表面的风荷载取值应符合现行国家标准《建筑结构荷载规范》GB 50009的规定。单个旋转壳的风荷载体型系数可按表3.2.6的规定采用。对复杂体型的壳体结构,当跨度较大时,应通过风洞试验或专门研究确定风荷载体型系数。
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3.2.7 壳体水平投影面上的雪荷载取值应符合现行国家标准《建筑结构荷载规范》GB 50009的规定。壳面积雪分布系数μr的取值与壳面类型有关,对旋转壳(包括扁球壳)和圆柱面壳,其值可按表3.2.7的规定采用;对双曲扁壳、双曲抛物面扁扭壳和膜型扁壳,其值可取1.0。
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3.2.8 薄壳结构的抗震验算应符合下列规定:
1 抗震设防烈度低于或等于7度时,对周边支承且跨度不大于24m的薄壳结构可不进行抗震验算,对跨度大于24m的薄壳结构应进行水平抗震验算;
2 抗震设防烈度为8度或9度时,对各种薄壳结构均应进行水平和竖向抗震验算;对跨度不大于24m的薄壳结构进行竖向抗震验算时,其竖向地震作用标准值在8度和9度时可分别取重力荷载代表值的10%和20%、设计基本地震加速度为0.3g时可取重力荷载代表值的15%进行计算;
3 对体型复杂、悬挑较大或跨度大于24m的薄壳结构,宜采用振型分解反应谱法进行抗震计算;对其中特别不规则的薄壳结构应采用时程分析法进行多遇地震下的补充计算,并应符合行国家标准《建筑抗震设计规范》GB 50011的规定。
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3.2.9 薄壳结构应进行稳定性验算。对于在均布荷载作用下、形状规则的圆形底旋转壳、双曲扁壳、圆柱面壳和双曲抛物面扭壳,其稳定性可分别按本规程的相关规定进行验算。
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3.2.10 壳体的受力裂缝控制等级要求和裂缝控制验算应符合现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB 50010的规定。当壳板截面承受拉力时,最大主拉应力标准值不宜大于3倍混凝土抗拉强度标准值。
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3.2.11 在正常使用极限状态下应验算边缘构件的变形,除有特殊要求者外,对荷载标准组合或准永久组合并考虑荷载长期作用影响下的挠度值,在跨度大于7m时不宜大于跨度的1/400,在跨度不大于7m时不宜大于跨度的1/250。
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3.2.12 边缘构件自身平面内的刚度应满足对壳板的约束要求。
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3.2.13 对装配整体式薄壳结构的预制构件,应进行装配过程中的承载力、稳定性、裂缝控制验算。验算荷载应包括自重、施工荷载和吊装动力荷载等。对大型构件,在运输和安装时应设置临时支撑。
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