混凝土梁橋D區(qū)設(shè)計的拉壓桿模型及理論

基于拉壓桿模型的混凝土結(jié)構(gòu)D區(qū)設(shè)計新方法，是當(dāng)前國際混凝土結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的研究熱點之一，但我國的研究還很少?；炷亮簶虻腄區(qū)是指應(yīng)力受到擾動的區(qū)域，如承受集中力和（或）幾何構(gòu)造突變的部位，D區(qū)從彈性階段開始平截面應(yīng)變的假定就不成立，而滿足塑性下限定理的拉壓桿模型能夠較好地揭示該區(qū)域的破壞機(jī)理。.課題將針對混凝土結(jié)構(gòu)D區(qū)設(shè)計中的一類共性問題，探討混凝土梁橋小剪跨比區(qū)域的拉壓桿模型的建立準(zhǔn)則；研究混凝土梁橋5種典型D區(qū)（薄腹箱梁和T梁的支座附近、混凝土箱梁橫隔板、配置豎向預(yù)應(yīng)力的箱梁腹板、配置橫向預(yù)應(yīng)力的箱梁懸臂板，以及常見的預(yù)應(yīng)力錨固區(qū)）基于拉壓桿模型的設(shè)計方法，并通過彈塑性數(shù)值模擬和拓?fù)渌惴▋煞N途徑，探索拉壓桿模型構(gòu)形和幾何尺寸的確定問題。.當(dāng)前混凝土梁橋中普遍存在的D區(qū)裂縫等問題直接制約著橋梁工程的健康發(fā)展，課題既面向解決實際問題，又處于學(xué)科前沿，對完善混凝土結(jié)構(gòu)基本理論具有重要意義。 2100433B

拉壓桿模型（STM）是歐美混凝土橋梁規(guī)范中推薦的應(yīng)力擾動區(qū)（D區(qū)）設(shè)計方法。然而，現(xiàn)有的“彈性拉壓桿模型”方法還不能較好回答D區(qū)裂縫預(yù)測和承載能力計算問題。本課題致力于探索一種新的“彈塑性拉壓桿模型”方法，以期準(zhǔn)確分析混凝土結(jié)構(gòu)D區(qū)的彈塑性受力行為。首先，擬提出基于“余能駐值條件”的拉壓桿模型自適應(yīng)構(gòu)形新準(zhǔn)則，可望攻克拉壓桿模型“構(gòu)形不唯一性”難題。接著，擬將彈塑性拉壓桿模型拓展至D區(qū)非線性分析，以期完整揭示D區(qū)內(nèi)部傳力機(jī)制的全過程演變規(guī)律。同時，擬引入復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下鋼筋與混凝土的黏結(jié)本構(gòu)關(guān)系，探討基于黏結(jié)-滑移理論的D區(qū)裂縫寬度計算方法。最后，還將開展薄板劈裂試驗和橋墩蓋梁模型試驗，研究錨固區(qū)集中力擴(kuò)散機(jī)制和小剪跨區(qū)桁-拱受力機(jī)制的演變規(guī)律，并驗證所提出的理論模型。研究成果有助于混凝土橋梁結(jié)構(gòu)D區(qū)極限狀態(tài)設(shè)計理論框架的建立，并可望解決預(yù)應(yīng)力錨固區(qū)、橋墩蓋梁等D區(qū)頻發(fā)的結(jié)構(gòu)性裂縫病害。

當(dāng)前，重大工程結(jié)構(gòu)高安全性與高耐久性的需求，對混凝土橋梁的結(jié)構(gòu)分析理論提出了新的發(fā)展要求，亟待進(jìn)行精細(xì)化分析模型方面的基礎(chǔ)理論研究。在混凝土橋梁的應(yīng)力擾動區(qū)（D區(qū)，截面應(yīng)變不符合平截面假定的區(qū)域），普遍面臨著裂縫病害頻發(fā)而設(shè)計依據(jù)不足的技術(shù)挑戰(zhàn)?，F(xiàn)有的“彈性拉壓桿模型”方法還不能較好地回答D區(qū)裂縫預(yù)測和承載能力計算問題，本項目致力于探索一種新的“彈塑性拉壓桿模型”方法。本項目取得的主要成果為：（1）發(fā)展了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)受剪分析的修正變角桁架模型理論；（2）通過引入拉壓桿模型材料非線性和余能駐值原理，建立了基于自適應(yīng)構(gòu)形方法的彈塑性拉壓桿模型理論（EPSTM），實現(xiàn)了模型構(gòu)形參數(shù)隨著結(jié)構(gòu)“彈性-開裂-塑性-破壞”全過程受力狀態(tài)的自適應(yīng)演變；（3）在EPSTM的基礎(chǔ)上，引入復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下鋼筋與混凝土的黏結(jié)本構(gòu)關(guān)系，建立了基于黏結(jié)-滑移理論的典型D區(qū)裂縫寬度計算方法。研究工作為解決混凝土橋梁應(yīng)力擾動區(qū)頻發(fā)的結(jié)構(gòu)性裂縫病害提供了設(shè)計理論支撐，部分成果納入了新修編的我國混凝土橋梁設(shè)計規(guī)范。 2100433B

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的D區(qū)部位應(yīng)力場復(fù)雜，其截面變形不滿足平截面假定。目前我國規(guī)范對混凝土結(jié)構(gòu)D區(qū)的設(shè)計多采用經(jīng)驗公式，力學(xué)概念不清楚，計算模型不明確，所得結(jié)果可能偏于保守或偏于不安全。本項目在綜合調(diào)研已有研究成果的基礎(chǔ)上，采用遺傳演化結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法構(gòu)造了鋼筋混凝土D區(qū)構(gòu)件的壓桿-拉桿模型，以Michell為指導(dǎo)探討分析了這些壓桿-拉桿模型的合理性，比較了鋼筋混凝土材料性能考慮與否對優(yōu)化結(jié)果的影響，發(fā)現(xiàn)區(qū)分鋼筋和混凝土兩種不同材料使計算工作量大為增加，但不能顯著提高計算精度。以此為基礎(chǔ)，設(shè)計了便于計算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)的計算方法，與現(xiàn)有商業(yè)有限元軟件完美結(jié)合，可用于構(gòu)造任意尺寸、任意荷載、任意支承條件下的各類構(gòu)件的壓桿-拉桿模型。設(shè)計制作了無孔深梁、開孔深梁、Z形梁等構(gòu)件，完成了與現(xiàn)行規(guī)范設(shè)計方法的對比試驗，試驗結(jié)果表明，現(xiàn)行規(guī)范方法對鋼筋混凝土D區(qū)構(gòu)件的破壞形態(tài)及承載力的估計都存在偏差，而按優(yōu)化方法構(gòu)造的壓桿-拉桿模型可以在一定程度上解釋試驗現(xiàn)象，對構(gòu)件承載力的估計也相對準(zhǔn)確。本項目研究完善了混凝土結(jié)構(gòu)D區(qū)設(shè)計方法，為優(yōu)化設(shè)計理論提供了寶貴的試驗支持，對促進(jìn)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計理論和優(yōu)化設(shè)計理論的發(fā)展具有重要意義。 2100433B