混凝土梁桥D区设计的拉压杆模型及理论

基于拉压杆模型的混凝土结构D区设计新方法，是当前国际混凝土结构领域的研究热点之一，但我国的研究还很少。混凝土梁桥的D区是指应力受到扰动的区域，如承受集中力和（或）几何构造突变的部位，D区从弹性阶段开始平截面应变的假定就不成立，而满足塑性下限定理的拉压杆模型能够较好地揭示该区域的破坏机理。.课题将针对混凝土结构D区设计中的一类共性问题，探讨混凝土梁桥小剪跨比区域的拉压杆模型的建立准则；研究混凝土梁桥5种典型D区（薄腹箱梁和T梁的支座附近、混凝土箱梁横隔板、配置竖向预应力的箱梁腹板、配置横向预应力的箱梁悬臂板，以及常见的预应力锚固区）基于拉压杆模型的设计方法，并通过弹塑性数值模拟和拓扑算法两种途径，探索拉压杆模型构形和几何尺寸的确定问题。.当前混凝土梁桥中普遍存在的D区裂缝等问题直接制约着桥梁工程的健康发展，课题既面向解决实际问题，又处于学科前沿，对完善混凝土结构基本理论具有重要意义。 2100433B

拉压杆模型（STM）是欧美混凝土桥梁规范中推荐的应力扰动区（D区）设计方法。然而，现有的“弹性拉压杆模型”方法还不能较好回答D区裂缝预测和承载能力计算问题。本课题致力于探索一种新的“弹塑性拉压杆模型”方法，以期准确分析混凝土结构D区的弹塑性受力行为。首先，拟提出基于“余能驻值条件”的拉压杆模型自适应构形新准则，可望攻克拉压杆模型“构形不唯一性”难题。接着，拟将弹塑性拉压杆模型拓展至D区非线性分析，以期完整揭示D区内部传力机制的全过程演变规律。同时，拟引入复杂应力状态下钢筋与混凝土的黏结本构关系，探讨基于黏结-滑移理论的D区裂缝宽度计算方法。最后，还将开展薄板劈裂试验和桥墩盖梁模型试验，研究锚固区集中力扩散机制和小剪跨区桁-拱受力机制的演变规律，并验证所提出的理论模型。研究成果有助于混凝土桥梁结构D区极限状态设计理论框架的建立，并可望解决预应力锚固区、桥墩盖梁等D区频发的结构性裂缝病害。

当前，重大工程结构高安全性与高耐久性的需求，对混凝土桥梁的结构分析理论提出了新的发展要求，亟待进行精细化分析模型方面的基础理论研究。在混凝土桥梁的应力扰动区（D区，截面应变不符合平截面假定的区域），普遍面临着裂缝病害频发而设计依据不足的技术挑战。现有的“弹性拉压杆模型”方法还不能较好地回答D区裂缝预测和承载能力计算问题，本项目致力于探索一种新的“弹塑性拉压杆模型”方法。本项目取得的主要成果为：（1）发展了钢筋混凝土结构受剪分析的修正变角桁架模型理论；（2）通过引入拉压杆模型材料非线性和余能驻值原理，建立了基于自适应构形方法的弹塑性拉压杆模型理论（EPSTM），实现了模型构形参数随着结构“弹性-开裂-塑性-破坏”全过程受力状态的自适应演变；（3）在EPSTM的基础上，引入复杂应力状态下钢筋与混凝土的黏结本构关系，建立了基于黏结-滑移理论的典型D区裂缝宽度计算方法。研究工作为解决混凝土桥梁应力扰动区频发的结构性裂缝病害提供了设计理论支撑，部分成果纳入了新修编的我国混凝土桥梁设计规范。 2100433B

钢筋混凝土结构的D区部位应力场复杂，其截面变形不满足平截面假定。目前我国规范对混凝土结构D区的设计多采用经验公式，力学概念不清楚，计算模型不明确，所得结果可能偏于保守或偏于不安全。本项目在综合调研已有研究成果的基础上，采用遗传演化结构优化方法构造了钢筋混凝土D区构件的压杆-拉杆模型，以Michell为指导探讨分析了这些压杆-拉杆模型的合理性，比较了钢筋混凝土材料性能考虑与否对优化结果的影响，发现区分钢筋和混凝土两种不同材料使计算工作量大为增加，但不能显著提高计算精度。以此为基础，设计了便于计算机程序实现的计算方法，与现有商业有限元软件完美结合，可用于构造任意尺寸、任意荷载、任意支承条件下的各类构件的压杆-拉杆模型。设计制作了无孔深梁、开孔深梁、Z形梁等构件，完成了与现行规范设计方法的对比试验，试验结果表明，现行规范方法对钢筋混凝土D区构件的破坏形态及承载力的估计都存在偏差，而按优化方法构造的压杆-拉杆模型可以在一定程度上解释试验现象，对构件承载力的估计也相对准确。本项目研究完善了混凝土结构D区设计方法，为优化设计理论提供了宝贵的试验支持，对促进混凝土结构设计理论和优化设计理论的发展具有重要意义。 2100433B