钢筋混凝土复杂受力构件的配筋设计方法研究

Designs of the reinforcement layouts of reinforced concrete (RC) members under complex stress state are always difficult. Compared with the previous proposed methods based on experiments, the stress methods are becoming more and more popular in these years. This is a great progress for the stress methods are more consistent with mechanical concept. However, there are still many problems exist in the stress design methods for their immaturity. This project will investigate the advantages and disadvantages of empirical design methods, elastic stress design methods and elastic-plastic stress design methods for RC members under complex stress state, according to their mechanical properties. Elastic stress design methods and elastic-plastic stress design methods will be mainly studied in this project in order to improve. First, the domination of strut-and-tie model methods in elastic stress design methods will be broken and elastic stress design methods will be promoted to completely replace the empirical design methods. Second, elastic-plastic stress design methods will improve in order to use them in practice as soon as possible. The researches in this project will mainly be based on the idea of topology optimization, stress design, and the support of experimental study and nonlinear analysis, in order to make the reinforcement layout design of RC members under complex stress state more reasonable and practical. In addition, the project also proposed a new idea for reinforcement layout design of RC members under complex stress state by using the load transfer path, and the corresponding exploratory research will be done.

钢筋混凝土复杂受力构件的配筋设计一直是一个难点，过去常使用经验方法，当前渐渐流行应力方法，从力学概念上来讲，这是一次很大的进步。然而当前已有的应力方法还不够成熟，存在着诸多的问题。本项目以力学性能为指引，将对钢筋混凝土复杂受力构件当前已有的经验设计方法，弹性应力设计方法和弹塑性应力设计方法各自的优缺点展开了讨论。本项目将弹性应力设计方法和弹塑性应力设计方法的改进作为研究重点，一方面突破弹性应力设计方法目前几乎只有拉压杆模型方法的局面，推动弹性应力设计方法全面发展并取代经验设计方法，另一方面促进弹塑性应力设计方法的进步，使其能尽快为工程设计所用。在研究中，主要从拓扑优化和应力设计的理念出发，完成相应的试验研究和非线性分析作为支撑，以期提高钢筋混凝土复杂受力构件配筋设计的合理性和实用性。此外，项目还提出利用传力路径进行钢筋混凝土复杂受力构件配筋设计的新思路，并将展开一些探索性研究。

钢筋混凝土复杂受力构件的配筋设计问题一直是一个难点，当前大多数国家的规范都推荐力学概念较为清晰的应力设计方法。当前应力设计方法中较成熟的主要有拉压杆模型方法，运用该方法时，利用渐进结构优化类的拓扑优化算法建立拉压杆模型得到了较多的关注和研究，但也还有需要改进之处。算法研究方面，本项目首先在渐进结构优化算法的基础上提出了开窗渐进结构优化算法，主要解决了传统渐进结构优化中的计和效率问题和因删除率设置不合理而导致的优化解畸变问题；由于从拓扑解到拉压杆模型，再转化出配筋设计这一过程中对设计者主观经验要求过高的问题依然存在，本项目以在可直接演化出配筋方案的钢筋分离模型遗传演化结构优化算法的基础上展开研究，结合双向演化结构优化算法，得到了遗传双向演化结构优化算法，该算法提高了全局寻优的能力，能构造出直观且更合理的钢筋布置拓扑，在考虑构造钢筋的基础上还能节省钢筋用量；本项目还针对多目标优化问题展开了一定的研究，目前主要针对承载能力极限状态与正常使用极限状态两个目标展开算法探讨，主要为向工程设计靠拢；利用遗传演化结构优化算法基于结构动力修改完成拓扑优化也已启动相关研究工程，得到一些初步的结论，这一方向的研究拓展也是为了使渐进演化类算法能更加符合工程实际的需求；此外，在这些算法研究的过程中，本项目还完成了大量的算法对比研究，对正反向渐进演化类算法以及双向渐进演化类算法的优化过程与拓扑解进行了差异分析，并探讨了它们各自的适用范围。仿真与试验验证方面，本项目首先利用已有的剪力墙试验数据，再结合有限元仿真，对不同开洞条件和不同设计方法下的钢筋混凝土剪力墙构件展开了对比研究，对遗传演化结构优化算法的拓扑构造能力及其拓扑解的可靠性展开了详尽的讨论；本项目还通过数值分析和参数研究对加窗渐进结构优化的稳定性，普遍适用性，可靠性和优越性进行了全面的探讨，并对其在三维实体拓扑构造方面的能力进行了探索；多目标优化问题上，本项目目前主要以钢筋混凝土整体模型渐进演化为平台，以钢筋混凝土深梁为对象完成了一些探索性的数值分析和拓扑构造。在这些渐进演化类的拓扑优化算法的设计应用和推广方面，本项目主要展开了两点研究，一为设计方法的延伸，主要探寻运用渐近演化类方法并考虑构件受力的弹塑性特征获取最优拓扑后，先理清传力路径，再基于传力路径完成钢筋混凝土复杂受力构件配筋设计的新思路；二为当前设计方法的完善，主要通过提出分解