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1、上海交通大学硕士学位论文预应力混凝土锚固区配筋设计的拉压杆模型法姓名：王东申请学位级别：硕士专业：结构工程指导教师：陈晓宝20070301上海交通大学硕士学位论文 预应力混凝土锚固区配筋设计的拉压杆模型法 摘 要 拉压杆模型法作为一种混凝土结构设计方法，在对结构干扰区做受力分析和配筋设计时， 相较于通常使用的方法体现出明显的优势， 国外对此已形成比较成熟的理论体系。 国内对于拉压杆模型理论的研究虽然起步较晚，但有不少学者或设计工作人员利用此方法对结构设计进行过探讨，然而成果多数集中在深梁、开孔梁、牛腿等结构形式，对预应力锚固区的分析比较有限。 本文则对预应力混凝土结构锚固区的配筋设计结合拉压杆
2、模型法展开探索。 本文首先介绍了拉压杆模型法的基本原理及建模步骤，然后采用拉压杆模型法对预应力混凝土梁内锚固区和环梁侧锚固区进行配筋设计， 最后选取梁内锚固区做非线性模拟试验，将前后结果进行对比。 非线性模拟试验的结果证明，得到的荷载传递路径及应力分布情况与构建的拉压杆模型是一致的， 因此拉压杆模型真实反映了结构的传力机制。 此外， 拉压杆模型中的杆件内力均大于模拟实验中所对应钢筋的内力。因此， 用拉压杆模型法设计预应力混凝土结构锚固区不但合理， 而且可靠。 关键词：拉压杆模型法，结构干扰区，预应力混凝土结构，梁内锚固区，环梁侧锚固区 上海交通大学硕士学位论文 预应力混凝土锚固区配筋设计的拉压
3、杆模型法 REINFORCEMENT DESIGN WITH STRUT-AND-TIE MODEL METHOD TO ANCHORED REGIONS OF PRESTRESSED CONCRETE STRUCTURE ABSTRACT As a type of design method of reinforced concrete structure, Strut-and-Tie Model method displays more obvious advantage than the method used usually to analysis of internal force
4、and reinforcement design of structural distrubed regions, on which a set of mature theory system has been made in foreign countries. Researches on Strut-and-Tie Model in China begin a bit later, but many scholars and designers have probed into design of structure with the method. Achievements mostly
5、 concentrate on the deep beam, the beam with holes, the corbel, etc. While the analysis on anchored regions of prestressed concrete structure is limited. This thesis probes into reinforcement design in anchored regions of prestressed concrete structure with Strut-and-Tie Model method. The thesis fir
6、st introduces the basic principle and modeling steps of Strut-and-Tie Model method, then makes the reinforcement design with the 上海交通大学硕士学位论文 预应力混凝土锚固区配筋设计的拉压杆模型法 method to anchored regions in beam and anchored regions in round beam of prestressed concrete structure, finally does the nonlinear simul
7、ated experiment with anchored region in beam and compares the results. The load path and the stress distribution got by the nonlinear simulated experiment is identical with the my Strut-Tie model, which shows Strut-and-Tie Model can reflect real load transmit mechanism of structure. In addition, mem
8、ber forces in my Strut-Tie model are greater than the internal force of reinforcing bars in the simulated experiment. Therefore, it is not only reasonable but reliable to design anchored regions of prestressed concrete structure. Keywords: Strut-and-Tie Model method, structural disturbed region, pre
9、stressed concrete structure, anchored region in beam, anchored region in round beam 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：王东 日期： 2007 年 3 月 6 日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了
10、解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密保密，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名：王东 指导教师签名：陈晓宝 日期：2007 年 3 月 6 日 日期：2007 年 3 月 6 日 上海交通大学硕士学位论文 预应力混凝土锚固区配筋设计的拉压杆模型法 1第一章 绪论 1.1 混凝土结构干扰区 混凝土是一种抗压强度远
11、大于抗拉强度的建筑材料， 如果单纯用混凝土作为承重构件，在构件受拉区极容易开裂；而钢筋是一种抗拉强度很大的材料，然而在承受较大压力的情况下却极容易发生屈曲失稳。 因此人们在实践工程中发现将钢筋和混凝土结合使用， 将两种性能截然不同的材料分布在不同受力区域， 使混凝土主要承受压力，钢筋主要承受拉力，从而形成一个有机的统一体。这种建筑结构形式就是多年以来广泛使用的钢筋混凝土结构。对于此种结构概念形成一个理论模型，就是“桁架模型” 。这一模型认为，混凝土压杆和钢筋拉杆构成了桁架，可以承受所作用的荷载。 从 19 世纪末，研究人员将“桁架模型”应用于剪切研究开始，该模型就在不断的推广和改进，100 年
12、间形成了“塑性桁架模型”、“软化桁架模型”等理论。但随着科学技术的发展和工程实际中出现的越来越复杂的现象，设计者们发现，“桁架理论模型”对于混凝土结构中的某些区域是相当合理与精确的，可对有些区域就显得十分不合理，甚至不能采用。近几十年，由于电子计算技术等新的科技成就逐渐被应用于混凝土结构的研究，促使这门学科的面貌发生了巨大的变化，并向更新更高的阶段发展。 实际上，混凝土结构根据受力后的应力应变分布特征，可将整个结构分为两类区域。一类象普通梁柱上远离支座或荷载作用点的区域，那里的截面应变分布呈线性特征，满足贝努利平截面假定，国际上称之为非干扰区，简称 B 区。另一类为由于静力或几何不连续造成截面
13、应变分布不规则的区域，国际上称之为干扰区，简称 D 区，如牛腿、梁柱节点区、深梁、开孔梁、抗震墙体、桩基承台等，如图 1-1 所示。对于非干扰区的混凝土结构的受力性能现在已有了较清楚的认识， 目前设计时多数采用的极限状态法（截面内力法）在计算这类区域时符合得相当好，工程精度高，现在混凝土结构中很少出现由此区域的破坏而导致整个结构破坏的情况。 而对于干扰区的配筋设计，后者结构截面应变分布非线性且极不规则，再用截面内力法计算精度很低，甚至难以实现，并且目前对此区域的受力性能还缺乏彻底的认识，该区域又是实现整个结构性能的关键部位，因此，常常因为此区域的设计不合理，而导致结构性能低下，甚至导致结构破坏
14、。 上海交通大学硕士学位论文 预应力混凝土锚固区配筋设计的拉压杆模型法 2图 1-1(a) 由几何不连续产生的 Fig.1-1(a) Brought about by geometrical discontinuity 图 1-1(b) 由集中荷载及/或几何不连续产生的 Fig.1-1(b) Brought about by concentrated load and/or geometrical discontinuity 20 世纪 80 年代， 国外一些学者提出直接根据替代原结构的拉-压杆模型来完成结构各部分设计的拉-压杆模型法，“拉压杆模型”计算方法起源于“桁架模型”，然而适用面更为广
15、泛，例如上文中所述的混凝土结构 D 区，用“拉压杆模型”设计可以获得相当高的工程精度。随着现代计算机技术与有限元分析手段的快速发展和利用，人们已能够对干扰区的力学性能进行较清晰的分析。由于抓住了结构的受力本质，因此概念清晰，容易理解和掌握。 上海交通大学硕士学位论文 预应力混凝土锚固区配筋设计的拉压杆模型法 3国外将拉压杆模型计算方法用于混凝土结构计算，使得 D 区的计算可以达到与 B区同样高的精度。拉压杆模型在欧美国家作为混凝土结构计算工具应用较广，已逐渐在欧美各国规范和工程中采用。国内则在这方面的研究尚不够深入，因此应在国内加以推广“拉压杆模型”方法，从而建立适合我国工程应用的“拉压杆模型”计算方法。 1.2 混凝土结构 D 区的划分 按有限元分析，结构受力时其内部的力流的分布极不均匀，表现是受力点局部区域力流密度大，分布不均；而远离受力点区域的力流密度小，分布均匀。如图 1-2 所示。由于在集中荷载作用处、支座处或构件几何外形突变处将产生紊乱的应力场，一般取其周围各一倍构件横截面最大尺寸范围以内作为 D 区，其余为 B 区。因此常规定义 D 区位于集中荷载作用处、支座处及截面形状突变处，实际结构中多见于深梁、牛腿、开孔梁、框架节点、桥墩、桩基承台等。 图 1-2 结构 B 区及附近 D 区的应力迹线 Fig.1-2 S
