混凝土桥梁结构D区的弹塑性拉压杆模型理论研究

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

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。

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

弹塑性模型是当前用来描述混凝土受力的各种应力和变形关系的七种本构模型之一，反映材料的塑性变形。

该模型可以较好地描述混凝土应力一应变下降段(软化)曲线，建立了应变空间的塑性本构关系，并构造了不同的混凝土应变松弛面(相对于应力空间的破坏包络面)和相应的势能函数，以反映混凝土卸载的残余应变、刚度退化等特性。2100433B