钢筋混凝土结构D区的研究与分析

1、钢筋混凝土结构D区的研究与分析内 容 概 述选题背景及意义国内外相关研究工作本文研究内容工作重点与难点拟采取的解决方案预期成果和创新论文进度研究背景 结构功能的多元化以及人类对建筑艺术感的追求，使得结构的设计越趋于复杂化。简支开孔深梁截面变形不符合平截面假定，受力性能变得复杂，洞口部位是应力集中的薄弱区域,其刚度、强度、抗裂性以及抗震性能均会降低，而且。由于开孔深梁设计问题的复杂性，除正截面强度外，钢筋混凝土结构的设计方法通常是基于试验的半理论、半经验方法，甚至采用完全基于试验的经验公式，力学概念不清楚，导致设计可能偏于保守或偏于不安全。 将复杂的理论和现代计算力学的方法相结合，通过试验验证，

2、研究成果可应用于工程实践。将拓扑优化、遗传演化结构优化算法与混凝土结构基本性能相结合，探讨合理统一的分析设计D区结构的计算理论和计算模型，完善混凝土结构设计理论。 研究意义研究意义考虑钢筋与混凝土的本构特性、结构分析的多荷载工况特性、结构设计的多目标性，将遗传演化结构优化算法与数学理论完备的Michell理论相结合，提出新的拓扑优化算法，并以此为基础构造反映钢筋混凝土结构D区受力特点的拉压杆模型，完成配筋优化设计和相关的试验研究。相关工作 D区：D区表示结构不连续、扰乱或细节，集中荷载作用处，支座处和几何外形改变处应力场紊乱，平截面假定不满足，这样的区域称为D区，而离D区一定距离满足平截面假定

3、的区域称为B区。 相关工作1980年，钱国梁通过54根简支深梁的试验，结合浙江大学、R.F.Manuel、de paiva and Seiss等所做的试验资料，分析了钢筋混凝土简支深梁在不同跨高比、不同腹筋和不同配筋率布置下的破坏特征，提出了抗裂度验算和强度计算等计算公式 1990年，王新玲等通过14根顶部集中荷载作用和12根均布荷载作用的简支开孔深梁的试验，得出了开孔深梁开孔的位置、尺寸以及洞口配筋的不同出现了剪切型、弯剪联合型和弯曲型三种破坏形式。相关工作1997年，王命平等通过分析了洞口大小、位置、无腹筋及腹筋形式、配筋量对简支开洞深梁承受集中力时的剪切性能的影响，根据桁架模型提出了剪切

4、强度计算公式。对不开孔、开孔深梁以及开孔短梁的研究分析了剪跨比、洞口大小和位置，以及洞口配筋形式，得出深梁受力时候的剪切传力模型。 相关工作2011年，刘霞和易伟建引用GESO算法计算了对称集中力荷载作用下开洞大小、位置不同的对称开矩形洞口简支深梁的压杆-拉杆模型，并与经典的优化设计准则Michell准则比较来验证压杆-拉杆模型的合理性。 相关工作1992年,Alshegeir等利用压杆-拉杆方法对3根预应力深梁进行了实验研究，根据试验现象合理解释了预应力、混凝土抗压强度以及钢筋构造配筋对试件的强度和性能的影响。 相关工作2007年，Yang等对15个开孔钢筋混凝土深梁，在两点集中力荷载作用下

5、，进行了静力加载试验。试验研究了口尺寸大小和配置斜腹筋数量的不同对开孔深梁结构受力性能的影响。2008年，Kuchma等采用ACI318-02规范中压杆-拉杆模型对11根D区应力复杂的梁（其中4根开孔深梁，3根开洞支柱悬臂梁，4根开洞缺口梁）进行了配筋试验研究。试验结果表明，按压杆-拉杆模型计算应力复杂的D区构件的极限承载力较为保守安全。同时，STM能很好的预测拉杆、压杆的刚性强度。相关工作2010年，D.R.Sahoo 等利用拉压杆模型方法对2根不同配筋方式的开孔深梁进行了试验，研究分析了不同的配筋对开孔深梁承载力、裂缝的开展、以及破坏的形式的影响。本文研究内容基于刘霞、易伟建提出的GESO

6、算法得到的开孔深梁压杆-拉杆模型构造，弄清结构主要拉杆和压杆的分布。对比不同荷载类型、不同位置加载的开孔深梁的承载力及破坏形式 。分别对美国规范和中国规范设计的构件进行配筋量、开裂荷载以及极限承载力的对比，通过应变片的布置来验证模型的准确性。应用非线性有限元分析软件对简支开孔深梁试验进行模拟。本文研究内容本文重点和难点工作的重点与难点支座、洞口以及加载点钢筋的配置；钢筋、混凝土应变数据以及试件测点位移的的采集；裂缝宽度的测定及均布加载方式的确定；试验数据的处理及试件的模拟。 拟解决方案对于支座、加载点局部受压区，配置钢筋网来防止局部破坏；按中国规范设计的开孔深梁，洞口钢筋予以局部加强。中国规范

7、配筋美国规范配筋 拟解决方案采用两台串联的静态电阻应变仪对钢筋和混凝土的应变数据采集，用百分表对测点位移数据的采集；采用裂缝测宽仪对裂缝的宽度进行数据采集；拟解决方案采用2台液压千斤顶、四个支座的加载方式来近似均布加载；拟解决方案运用Orange软件对试验采集数据进行处理，运用非线性有限元软件Abaqus来进行试验的模拟。拟解决方案预期成果通过简支开孔深梁实验，得到试件开裂荷载、极限荷载、破坏形式以及裂缝的发展形式，为使开孔深梁更好的应用于工程实际打下了基础。按美国规范设计的开孔深梁用筋量较中国规范少，且极限承载力较中国规范高。通过软件模拟试验，得到与试验较符合的结果。 创新点考虑钢筋混凝土材料特性，考虑钢筋混凝土结构的多目标性，考虑钢筋混凝土结构的多荷载工况性，提出的GESO拓扑优化算法进行拓扑优化，很真实合理的反映了开孔深梁的传力机理； 优化程序结合了Michell准则，以Michell准则指导优化算法寻优过程或结果； 基于GESO优化的拉压杆模型配筋试验，验证了其设计的合理性，为将优化方法与工程结构结合提供了参照。 创新点进度安排2010年8月2011年6月 调查研究，收集资料，熟悉课题相关内容。20