钢筋混凝土结构D区优化设计理论和方法研究

钢筋混凝土结构的D区部位应力场复杂，其截面变形不满足平截面假定。目前我国规范对混凝土结构D区的设计多采用经验公式，力学概念不清楚，导致设计可能偏于保守或偏于不安全。本项目重点研究钢筋混凝土结构D区的优化设计理论和方法，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，对完善混凝土结构设计理论具有重要意义。钢筋混凝土结构D区的优化设计需要考虑钢筋和混凝土的本构特性、结构分析的多荷载工况特性，结构设计的多目标特性，为此本项目拟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，同时提供便于计算机程序实现的计算方法。本项目研究不仅可以完善混凝土结构D区设计方法，为优化设计理论提供宝贵的试验支持，对促进混凝土结构设计理论和优化设计理论的发展具有重要意义。

钢筋混凝土结构的D区部位应力场复杂，其截面变形不满足平截面假定。目前我国规范对混凝土结构D区的设计多采用经验公式，力学概念不清楚，计算模型不明确，所得结果可能偏于保守或偏于不安全。本项目在综合调研已有研究成果的基础上，采用遗传演化结构优化方法构造了钢筋混凝土D区构件的压杆-拉杆模型，以Michell为指导探讨分析了这些压杆-拉杆模型的合理性，比较了钢筋混凝土材料性能考虑与否对优化结果的影响，发现区分钢筋和混凝土两种不同材料使计算工作量大为增加，但不能显著提高计算精度。以此为基础，设计了便于计算机程序实现的计算方法，与现有商业有限元软件完美结合，可用于构造任意尺寸、任意荷载、任意支承条件下的各类构件的压杆-拉杆模型。设计制作了无孔深梁、开孔深梁、Z形梁等构件，完成了与现行规范设计方法的对比试验，试验结果表明，现行规范方法对钢筋混凝土D区构件的破坏形态及承载力的估计都存在偏差，而按优化方法构造的压杆-拉杆模型可以在一定程度上解释试验现象，对构件承载力的估计也相对准确。本项目研究完善了混凝土结构D区设计方法，为优化设计理论提供了宝贵的试验支持，对促进混凝土结构设计理论和优化设计理论的发展具有重要意义。