复杂受力混凝土结构设计理论与方法研究

Concrete structures are widely used in modern engineering structures. Its basic technical framework is fairly established. However, new theories and technology are still needed to cope with increasingly complicated emerging structural systems. With limited theoretical support the current code for design of concrete structures does not fully consider these complex conditions. This project focuses on the behavior of concrete structures under complex loading and stress conditions, including the deep beam with holes, the corbel, the pile capping and the slab-column connection of foundation. Taking advantage of the modern measuring techniques such as digital speckle correlation method for non-contact dynamic strain measurement, smart concrete aggragete, acrylic studs strain measurement and distributed fiber-optic strain measurement, the global and local characteristics of concrete structures subjected to shear, punching, non-uniform constraint, cumulative damage and cycling loading, the failure mechanism and the interaction of the steel reinforcement and the concrete under the complex loading conditions will be studied in the project. Then through nonlinear finite element analysis, nonlinear stress field evolution analysis and topology optimization method based on the elasto-plastic constitutive law of the concrete, a stress field model considering the nonlinear behavior of concrete structures and components under complex loading and integrating the strut-and-tie model will be developed. Taking into account the failure mode and mechanism, the failure probability analysis of concrete structures under complex loading based on the stress path will be conducted. Finally, the performance-based design theory and methodology of the concrete structures under complex loading and stress conditions will be suggested.

混凝土结构是现代工程结构的主要形式，其基本技术框架已形成，但结构体系的复杂化仍要求新的理论和技术支持。目前的理论研究还不是十分完善，现行的混凝土结构设计规范的相关引导也不充分。本项目以复杂受力混凝土结构为主要对象，包括开洞深梁、牛腿、桩基承台、基础板柱节点等，利用数字散斑动态应变测量、应变栓钉、智能混凝土骨料以及分布式光纤应变测试等现代测试技术，研究二维和三维混凝土结构中具有局部受力特征的剪切、冲切、非均匀约束、累积损伤、反复荷载效应等关键科学技术问题，探究复杂应力状态下混凝土结构的破坏本质以及钢筋与混凝土相互作用机理。采用非线性有限元分析、非线性应力场演化分析和考虑混凝土弹塑性本构关系的拓扑优化方法，统一应力场模型和压杆-拉杆模型。考虑失效模式、破坏机理，对复杂受力混凝土结构进行基于应力路径的失效概率分析，在基于性能设计框架内，完善复杂受力混凝土结构的设计理论和方法。

本项目对钢筋混凝土深梁、变截面悬臂梁（牛腿）、板柱节点、剪力墙、浅梁、厚板、结构柱（弯剪破坏）等复杂应力结构的设计理论与方法进行了深入系统的研究，取得了一系列有创新意义和应用前景的研究成果：.1．提出考虑裂缝影响的压杆-拉杆模型 (STM)，能够较好的解决钢筋混凝土深梁的受剪承载力计算问题，经试验研究发现深梁受剪尺寸效应规律，提出一个折减系数使传统STM能够考虑梁高尺寸效应。提出冲击荷载作用下钢筋混凝土梁的受剪破坏机理模型和简化计算方法；基于建立的国内外受剪试验数据库，对我国规范公式校准；掌握复杂应力状态下梁的剪切受力特性，澄清剪切失效机理；.2．发现钢筋混凝土板柱节点冲切受力行为的空间结构整体受力的特点，建立冲切破坏机理模型；建立国内外冲切试验数据数据库，提出受冲切承载力计算的经验公式。提出板柱结构防连续倒塌的构造设计建议，提出冲切破坏后承载力的计算模型及计算方法；.3．利用ATENA、ABAQUS等软件开展有限元分析，系统地揭示了复杂受力混凝土结构从整体（荷载-挠度曲线）到局部（裂缝和应力分布）的非线性性能，合理解释了深梁受力及尺寸效应、变截面悬臂梁、板柱节点、弯剪破坏柱等结构构件的破坏机理；.4．提出基于分离式模型和非线性分析结果的遗传演化算法（GESO），适用于（开洞）深梁、（开洞）剪力墙等复杂应力构件的配筋优化计算；.5．提出确定复杂钢筋混凝土框架结构整体稳固性的不规则指标，用以帮助快速识别混凝土框架结构的最严重撤柱位置，包括规则的、阶梯型的、以及具有底部大空间的不规则结构，并采用敏感性分析进一步验证了不规则指标的可靠性；.6．提出非均匀粘结应力模型及相应的计算方法。发现了弯剪破坏柱在反复荷载下的整体变形特点及不同变形分量对柱抗震性能的影响，建立基于变形分量刚度损伤指标，可准确判断试验柱的最终破坏模式。.本项目的研究成果丰硕，具有创新性，有助于进一步完善混凝土结构设计理论体系，并可作为完善我国相关规范的参考依据。