混凝土结构统一理论

钢筋混凝土结构用脆性混凝土与柔性钢筋的完美结合，充分体现了刚柔相济的哲学，缔造了人类改造自然、创造发展的历史，提升了人类抵御灾害、保护生命财产的能力，发展了几乎无限的生产与生活空间。

混凝土结构要承受各种应力和应变，四种基本作用分别是弯曲、轴向作用、剪切和扭转。在不同条件下，四种基本作用会以单独或组合的形式作用在结构上，并对结构产生截然不同的影响。在四种基本作用中，轴向作用和弯曲属于一维问题，这一问题在20世纪60年代前研究较多，至1963年极限强度设计方法写入美国混凝土协会（American Concrete Institute，ACI）建筑规范时，这一问题已经基本得到解决。剪切和扭转是二维和三维问题，20世纪50年代至21世纪初期，这两类复杂问题得到了深入研究。

1993年，徐增全教授出版了《钢筋混凝土统一理论》一书，书中阐述了混凝土统一理论的五种模型：①用于局部区域设计的拉-压杆模型；②用于预测四种受力形态下构件极限承载力的平衡（塑性）桁架模型；③基于线性和非线性理论用于分析弯曲和轴向作用的伯努利协调桁架模型；④基于线性理论用于分析剪切和扭转作用的莫尔协调桁架模型；⑤基于非线性理论用于分析剪切和扭转作用的软化桁架模型。

1993年首次提出的统一理论对钢筋混凝土基本单元体的分析模型发展具有里程碑意义。但软化桁架分析模型无法完全适用于整体结构有限元分析，因而其阻碍了对混凝土结构整体力学性能进行科学预测的最终目标。

1995年，通过在休斯敦大学的万能平面板测试仪上安装10通道电液伺服控制系统，实现了试验过程的位移控制，为建立更先进的材料本构模型奠定了坚实基础，推进了剪切和扭转作用下非线性理论的发展。试验能力的提升开辟了全新的研究领域。

首先，加深了对开裂混凝土泊松比影响以及单、双轴受力性能差异的理解。这套试验设备真正实现了位移控制加载，使得休斯敦大学的研究者根据混凝土弥散开裂理论提出了两个徐朱比系数，为软化膜模型奠定了理论基础，并发展成为混凝土统一理论中用来分析剪切和扭转作用的第六个非线性分析模型。

其次，试验能力的提升推动了固定角剪切理论的发展，该理论可预测混凝土材料对受剪承载力的贡献（Vc），因而要好于转角剪切理论。从1995年开始，根据弥散开裂理论和混凝土软化系数，提出了更为合理的剪切模量，使得固定角剪切理论逐渐发展成为一个相对成熟的分析方法。尽管“固定角”一词未能成为该模型的用语，但并不能改变软化膜模型是基于新的固定角剪切理论这一事实。

最后，试验能力的提升使我们获得了剪切作用下应力-应变曲线的下降段，以及反复剪切荷载作用下的滞回曲线，由此建立了循环荷载作用下开裂钢筋混凝土的本构关系。由这些本构关系，构建了循环软化膜模型，开启了通过膜单元预测地震和其他动荷载作用下结构力学性能的大门。

混凝土结构可简化为承受弯矩或轴力的一维纤维单元及承受平面内剪应力和正应力的平面膜单元，整体结构受力性能的预测可以通过整合一维和平面结构单元的性能来实现。当然，这种分析方法要依赖于现今计算机的超级计算能力和诸如非线性有限元仿真分析方法等解析及数值工具的快速发展。

在过去的10年里，混凝土结构等非线性结构性能预测的有限元分析方法得到了快速发展。OpenSees作为一款在过去10年中发展起来的非线性有限元分析程序，其应用十分便捷。通过在OpenSees分析平台上构建混凝土单元的循环软化膜本构模型（CSMM），休斯敦大学开发了混凝土结构的有限元模拟程序SCS。该程序可以分析静载、循环荷载和动荷载作用下，由一维框架单元和平面墙单元组成的钢筋混凝土结构力学性能。

《混凝土结构统一理论》中所阐述的混凝土结构统一理论不仅包含钢筋混凝土在弯矩、轴力、剪力和扭矩作用下的统一设计方法，而且包含集成的一维和平面单元模型，用以揭示由框架和剪力墙组成的整体结构真实力学性能。这也是本书书名“混凝土结构统一理论”的真正内涵，是推动钢筋混凝土统一理论向前迈出实质性的一大步。

最后，本书给出了科学严谨的统一理论，用于设计钢筋混凝土结构和基础设施，实现安全性与经济性的最佳平衡。仅在美国，混凝土建设领域的投资即达一年两千亿美元。准确地说，这项工作在减轻地震、飓风和其他自然或人为灾害对人类所造成损害方面的价值是不可估量的。

从钢筋混凝土结构技术的应用开始，科学家和科研工作者们就从未停止过探究更准确设计理论、总结更适用设计方法的努力。在杰出的成果中，休斯敦大学著名教授、哈尔滨工业大学杰出校友徐增全教授的《混凝土结构统一理论》，无疑是标志性成果之一，可以作为帮助科研工作者和工程师们更准确理解自己工作价值的一本必读好书。

——王凤来，译者的话

本文摘编自（美）徐增全、（美）莫怡隆著，王凤来、张孝存、朱飞译《混凝土结构统一理论》（Unified theory of concrete structures，北京：科学出版社，2016）一书“序言”，有删减。

《混凝土结构统一理论》共10章，主要内容包括绪论、平衡（塑性）桁架模型、弯矩和轴向荷载共同作用、剪切的基本原理、转角剪切理论、固定角剪切理论、扭转、受剪梁、框架和剪力墙的有限元建模、SCS程序在剪力墙结构中的应用。本书可供从事土木工程领域研究的科技人员及高等院校相关专业的研究生和高年级本科生参考使用。

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