混凝土构件的设计与校核通常在截面(一维构件)或点(二维构件)层面进行。这一方法在所有结构设计标准中都有描述,例如(EN 1992-1-1 或 ACI 318-19),并广泛应用于日常结构工程实践中。然而,人们并不总是了解或遵守这一方法仅适用于符合伯努利-纳维平截面应变分布假设的区域(称为 B 区)这一前提。该假设不适用的区域称为不连续区或扰动区(D 区)。图 1 给出了一维构件中 B 区和 D 区的示例。这些区域包括承压区、集中荷载施加处、截面突变处、开孔处等。在混凝土结构设计中,我们还会遇到许多其他 D 区,例如墙体、桥梁横隔板、牛腿等。

过去,半经验设计规则被用于扰动区的尺寸设计。幸运的是,在过去几十年中,这些规则已在很大程度上被拉压杆模型(Schlaich 等,1987)和应力场方法(Marti,1985)所取代,这些方法在现行设计规范中均有体现,并被设计人员广泛使用。这些模型在力学上具有一致性,是强大的工具。需要注意的是,应力场通常可以是连续的,也可以是不连续的,而拉压杆模型是不连续应力场的一种特殊情形。
尽管过去几十年计算工具不断发展,拉压杆模型本质上仍主要以手算方式使用。将其应用于实际工程结构十分繁琐且耗时,因为需要反复迭代,并需考虑多种荷载工况。此外,该方法并不适用于正常使用极限状态相关准则(变形、裂缝宽度等)的验证。
结构工程师对一种可靠且快速的 D 区设计工具的需求,促使了新的协调应力场法的开发——这是一种计算机辅助应力场设计方法,可实现对承受平面内荷载的混凝土构件进行自动设计与校核。
协调应力场法(CSFM)是一种基于有限元的连续应力场分析方法,在经典应力场解的基础上引入了运动学考虑因素,即在整个结构中评估应变状态。因此,混凝土的有效抗压强度可根据横向应变状态自动计算,其方式与考虑压力软化效应的压力场分析方法类似(Vecchio 和 Collins,1986;Kaufmann 和 Marti,1998)以及 EPSF 方法(Fernández Ruiz 和 Muttoni,2007)。此外,CSFM 还考虑了拉力刚化效应,为单元提供了真实的刚度,并涵盖了以往方法未能一致解决的所有设计规范规定(包括正常使用极限状态和变形能力方面的要求)。CSFM 采用设计标准中规定的常见混凝土和钢筋单轴本构关系。这些本构关系在设计阶段即为已知,因此可采用分项安全系数法。因此,设计人员无需像非线性有限元分析那样提供额外的、通常带有主观性的材料参数,这使得该方法非常适合工程实践应用。
为了推动结构工程师采用计算机辅助应力场方法,这些方法应当在用户友好的软件环境中加以实现。为此,CSFM 已在 IDEA StatiCa Detail 中实现;这是一款全新的用户友好型商业软件,由苏黎世联邦理工学院(ETH Zurich)与软件公司 IDEA StatiCa 在 DR-Design Eurostars-10571 项目框架下联合开发。
