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钢筋混凝土深梁是桥梁工程、高层建筑、地下工程等实际工程中的主要承重构件之一。因功能要求，往往需将深梁设计成变截面或开洞异形构件。实际工程中，异形混凝土深梁内的应力场非常复杂，属于典型的力流紊乱区（D区）。中国规范中基于平截面假定的半经验半理论设计方法，难以对其进行安全有效、经济合理的配筋设计。欧美等国家规范中基于荷载传递机理的拉压杆模型设计方法，是指导混凝土结构D区配筋设计的一种有力工具，具有力学模型明确，设计概念清晰，工程精度较好等优点。确定混凝土结构的拉压杆模型（STM）是利用此方法进行配筋设计的首要任务，而拉压杆模型构建往往不考虑应变协调，只需满足屈服准则和平衡条件。同一混凝土结构D区不同的设计人员可构建出不同的拉压杆模型，配筋设计也因此明显不同。同时，当前拉压杆模型构形方法在构建复杂的D区拉压杆模型时，还存在效率低、准确性差，所得拉压杆模型对配筋设计的指导性较差等诸多问题。为提高中国异形混凝土深梁的设计水平，本文基于构件的荷载传递机理，在已有拉压杆模型设计法的基础上，提出了一种准确合理，经济实用的异形混凝土深梁配筋设计方法。对完善中国混凝土结构设计理论，特别是D区的配筋设计具有实际的指导意义。
（1）针对传统拉压杆模型构形方法存在的缺陷，将结构仿生学与渐进结构优化理论相结合，提出了分阶段渐进结构仿生拓扑优化方法（SESBO法）。编制了相应的拓扑优化算法，用于寻找混凝土结构的最优拓扑构形，进而确定结构的初始拉压杆模型。并采用该方法对简支深梁、悬臂深梁及5种（分别编号为A、B、C、D、E组）典型的异形混凝土深梁进行了具体应用，通过与双向渐进结构优化（BESO）法的优化结果对比分析，验证了该方法的准确性、高效性和稳定性。
（2）为弥补传统力学分析方法不能确切描述裂缝形状及分布等扩展演化规律的不足，开发了混凝土裂缝扩展仿真新技术。将混凝土看成由骨料、砂浆和两者间的界面过渡区组成的三相非均质复合材料，各组分的力学性能符合Weibull分布模型。采用提出的π-随机数表法模拟骨料的随机位置，并将刚度折减法与分形几何理论相结合，借助杆单元组成的路径元来模拟混凝土裂缝的扩展路径。5组素混凝土异形深梁的试验结果验证了该技术的有效性和准确性。
（3）针对拉压杆模型构形不唯一，对配筋设计的指导性差等现象，提出了基于混凝土裂缝扩展仿真新技术的拉压杆模型优化方法（NC-STMO法）。将拓扑优化法所得拉压杆模型称为初始拉压杆模型，根据混凝土裂缝扩展与构件荷载传递机理间的内在联系，对初始拉压杆模型中的杆件进行调整和完善，最终确定构件的最优拉压杆模型，并指导配筋设计。5组异形混凝土深梁的具体应用结果表明，该方法可以有效提高异形深梁拉压杆模型的准确性和指导性，使所得模型更加接近工程设计需要。
（4）基于拉压杆模型的构形方法及其优化方法，提出了异形混凝土深梁配筋设计新方法。该方法基于有限元分析和SESBO方法构建异形深梁的初始拉压杆模型，通过NC-STMO方法获得相应的最优拉压杆模型，依据美国混凝土结构设计规范（ACI318-14）或采用计算机辅助拉压杆模型（CAST）设计软件对模型进行计算分析，最终获得配筋设计。以5组异形混凝土深梁为例，通过与已有拉压杆模型法所得配筋设计对比分析，验证了该方法的有效性和优越性。根据同组异形深梁不同的配筋设计，分别制作了5组共20个异形深梁试件。完成了各试件的静力加载试验，探讨了同组异形混凝土深梁试件不同配筋设计对构件裂缝形态及破坏模式的影响，对比分析了异形深梁设计法与已有拉压杆模型法设计的构件，在用钢量、承载力、延性性能等方面的差异。研究结果表明，与已有拉压杆模型法相比，异形深梁设计法在延缓构件开裂，减少用钢量，提高构件承载力等方面具有明显优势，所得配筋设计更符合构件内部荷载传递机理，具有较好的经济合理性。
（5）利用ABAQUS软件，对不同方法设计的异形深梁进行了非线性有限元对比分析。采用异形深梁设计法和中国规范设计法，分别设计了5组异形深梁试件，探讨了两种方法设计的异形深梁试件，在力学性能，变形性能及用钢量等方面的差异。与中国规范设计法相比，异形深梁设计法力学模型清晰，钢筋配置准确且利用效率高，构件工作性能好。通过对构件应力重分布和传力路径变化的分析，进一步验证了异形深梁设计法的可靠性，补充和完善了当前中国异形混凝土深梁的设计理论及方法。
（1）针对传统拉压杆模型构形方法存在的缺陷，将结构仿生学与渐进结构优化理论相结合，提出了分阶段渐进结构仿生拓扑优化方法（SESBO法）。编制了相应的拓扑优化算法，用于寻找混凝土结构的最优拓扑构形，进而确定结构的初始拉压杆模型。并采用该方法对简支深梁、悬臂深梁及5种（分别编号为A、B、C、D、E组）典型的异形混凝土深梁进行了具体应用，通过与双向渐进结构优化（BESO）法的优化结果对比分析，验证了该方法的准确性、高效性和稳定性。
（2）为弥补传统力学分析方法不能确切描述裂缝形状及分布等扩展演化规律的不足，开发了混凝土裂缝扩展仿真新技术。将混凝土看成由骨料、砂浆和两者间的界面过渡区组成的三相非均质复合材料，各组分的力学性能符合Weibull分布模型。采用提出的π-随机数表法模拟骨料的随机位置，并将刚度折减法与分形几何理论相结合，借助杆单元组成的路径元来模拟混凝土裂缝的扩展路径。5组素混凝土异形深梁的试验结果验证了该技术的有效性和准确性。
（3）针对拉压杆模型构形不唯一，对配筋设计的指导性差等现象，提出了基于混凝土裂缝扩展仿真新技术的拉压杆模型优化方法（NC-STMO法）。将拓扑优化法所得拉压杆模型称为初始拉压杆模型，根据混凝土裂缝扩展与构件荷载传递机理间的内在联系，对初始拉压杆模型中的杆件进行调整和完善，最终确定构件的最优拉压杆模型，并指导配筋设计。5组异形混凝土深梁的具体应用结果表明，该方法可以有效提高异形深梁拉压杆模型的准确性和指导性，使所得模型更加接近工程设计需要。
（4）基于拉压杆模型的构形方法及其优化方法，提出了异形混凝土深梁配筋设计新方法。该方法基于有限元分析和SESBO方法构建异形深梁的初始拉压杆模型，通过NC-STMO方法获得相应的最优拉压杆模型，依据美国混凝土结构设计规范（ACI318-14）或采用计算机辅助拉压杆模型（CAST）设计软件对模型进行计算分析，最终获得配筋设计。以5组异形混凝土深梁为例，通过与已有拉压杆模型法所得配筋设计对比分析，验证了该方法的有效性和优越性。根据同组异形深梁不同的配筋设计，分别制作了5组共20个异形深梁试件。完成了各试件的静力加载试验，探讨了同组异形混凝土深梁试件不同配筋设计对构件裂缝形态及破坏模式的影响，对比分析了异形深梁设计法与已有拉压杆模型法设计的构件，在用钢量、承载力、延性性能等方面的差异。研究结果表明，与已有拉压杆模型法相比，异形深梁设计法在延缓构件开裂，减少用钢量，提高构件承载力等方面具有明显优势，所得配筋设计更符合构件内部荷载传递机理，具有较好的经济合理性。
（5）利用ABAQUS软件，对不同方法设计的异形深梁进行了非线性有限元对比分析。采用异形深梁设计法和中国规范设计法，分别设计了5组异形深梁试件，探讨了两种方法设计的异形深梁试件，在力学性能，变形性能及用钢量等方面的差异。与中国规范设计法相比，异形深梁设计法力学模型清晰，钢筋配置准确且利用效率高，构件工作性能好。通过对构件应力重分布和传力路径变化的分析，进一步验证了异形深梁设计法的可靠性，补充和完善了当前中国异形混凝土深梁的设计理论及方法。