基于放射虫仿生单元的混凝土结构复杂区域设计理论研究

An empirical design is often employed for the reinforcement of some disturbed regions (D-regions) of complex concrete structures. This rough design usually leads to serious problems such as structural cracks and collapse of buildings during the service stage. The strut-and-tie model (STM) method is an effective means especially for the reinforcement design of complex concrete structures. To use the STM method, an accurate and reasonable strut-and-tie model is first needed. However, it is a very difficult job to obtain the STMs of some D-regions of complex concrete structures (e.g., anchorage zones with multiple tendons). To solve the problem, a bionic micro-truss element, which is inspired by the skeletons of single-celled radiolarians, is intended to be introduced in this project. The bionic element, combining with some algorithms, is used to explore the load transfer mechanism in the concrete structures and obtain the exact STMs. Furthermore, the previous research results by our group indicate that adopting some new elements could be a feasible and potential research direction. To achieve the research objective, the project is divided into four parts: the research of radiolarian skeletons, construction of bionic elements, algorithms for generating STMs, evaluation system for STMs. If the above big difficulty is solved, more reliable theoretical foundation and scientific basis can be provided for the reinforcement of complex concrete structures. Therefore, this project is of considerable practical significance.

目前混凝土结构复杂区域（D区）的配筋设计以经验为主，导致结构在运营阶段出现结构性裂缝甚至坍塌破坏等事关国计民生的严重问题。基于拉压杆模型的设计方法是专门针对复杂混凝土结构配筋设计的有效方法。运用此方法的前提是获取混凝土结构D区的拉压杆模型，然而对于某些混凝土结构复杂区域（如多锚锚固区等），拉压杆模型的获取是一项非常困难的工作。本课题受海洋单细胞生物放射虫骨骼构形启发，拟构建一种仿生微桁架单元，结合拉压杆模型生成算法，来探究混凝土结构复杂区域的荷载传递机理并获取准确的拉压杆模型。同时，本课题组前期研究成果显示，借助新型单元是一条可行并有潜力的研究思路。为达成研究目标，本课题拟从以下四点展开研究：放射虫骨骼构形研究、仿生单元构建、拉压杆模型生成算法研究、拉压杆模型评价机制研究。若上述难题得以解决，混凝土结构复杂区域的配筋设计将会有更加可靠的理论基础与科学依据，因此研究具有十分现实的意义。

目前我国混凝土结构设计规范主要基于平截面假定理论。然而，实际工程中，构件的许多区域并不符合平截面假定，这些区域上的截面应变呈现明显的非线性分布。因此，将平截面假定统一应用于结构的整个区域有失偏颇。.基于拉压杆模型的设计方法是针对不符合平截面假定区域（D区）设计的一种行之有效的方法。确定合理准确的拉压杆模型构形是利用该方法进行D区设计的第一步。.根据研究思路，本项目的研究内容依次分为四部分：放射虫骨骼构形研究，仿生微桁架单元构建，拉压杆模型生成算法以及拉压杆模型评价机制研究。四部分内容相辅相成，缺一不可。研究放射虫骨骼构形是构建仿生微桁架单元的前提。构建的仿生微桁架单元是建立混凝土结构初始模型的基本单位。之后则需要执行相应的结构优化算法以生成最优拉压杆模型。而对构建的拉压杆模型进行评估则需要借助拉压杆模型评价系统。该评价系统是综合评判同类拉压杆模型优劣的有效工具。.在本项目研究过程中，共开展了两类试验。一是放射虫骨骼构形试验研究。分别考察了西太平洋海底软泥中的放射虫壳体以及东印度洋深海中的活体放射虫。对其骨骼构形有了深入的认识。另外，通过对单细胞生物放射虫生活行为的认识，也对地球上的生命有了更多的感悟。二是异形混凝土深梁试验研究。目的是进一步验证拉压杆模型评价系统的适用性。除此之外，开展本试验也是旨在对典型的异形深梁构件进行系统研究，并与前人研究成果广泛对比分析，以期总结出有实用价值的规律及结论。.通过本项目的实施，复杂混凝土结构内部的荷载传递机理得到了进一步的澄清，结构关键区域配筋设计的依据更加明晰。