本文是一篇土木工程论文，本文从选题到成文，目的是为了提出一些国内规范正截面和斜截面承载力存在的问题，为以后混规的修订提供依据。为此，论文编写过程中，首先了解我国当前混凝土的研究现状。其次，再进一步了解国外先进的规范，最后结合国内外现状提出符合国情的完善方法。
第一章 绪论
1.1 中国混凝土结构设计规范的发展
钢筋混凝土发源于十九世纪中期，但最初的水泥和混凝土的质量比较差，而且未建立完善的计算体系。直到十九世纪末，通过几十年的理论研究，水泥、混凝土和钢筋等材料的不断改进，以及一些相关构件试验的不断发展，钢筋混凝土才有了迅速的发展。当下已成为国际范围中应用于现代工程建设最广泛的材料之一。
在应用过程中，受到其发展历史的影响，最初钢筋混凝土仅使用于板、拱等简易的构件。随着工业技术的不断发展，钢筋和水泥等材料的质量及强度得到极大的提高。这为混凝土扩大其应用范围鉴定了基础。二十世纪七十年代时，很多国家已开始应用高强度钢筋和高强度混凝土，且使用于大形高层结构的构件中。
然后，由于混凝土的抗拉强度仅为其抗压强度的 5%~10%[1]，这就导致钢筋混凝土构件容易产生裂缝。因此通过诸多学者的实验研究，预应力混凝土问世了。预应力混凝土的使用中，对于混凝土和钢筋的强度有了更高的要求。高强度混凝土和钢筋的发展也在不断的推进预应力混凝土的应用范围扩大。除了应用在改善一般构件增大其跨度，减小裂缝之外，预应力混凝土还用于地下建筑、高层建筑、桥梁建筑及公路路面等建筑结构当中。
自钢筋混凝土构件问世，且将其运用到建筑中，至今已有百余年。随着新中国的成立，各行各业百废待兴，其中建筑业在推动经济发展中占据重要地位。但是，中国相对欧美国家而言，当时并无属于自己国家的建筑标准体系。在当时，钢筋混凝土已经替代了木结构，砖结构等结构体系，成为世界的主流建筑构件，其应用不仅仅是建筑物，还涉及到桥梁隧道、地下工程、水利海港等方面。因此，拥有一套自己国家的标准规范，对当时的中国，无论是政治上，还是经济上都是迫在眉睫的事。鉴于当时国际形势，唯一可行方法即为借鉴前苏联的规范标准。
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1.2 中国钢筋混凝土圆形截面设计发展现状
近年来也有很多学者就钢筋混凝土圆形截面的配筋进行了诸多相关的研究，国内外近期的关于圆形及环形截面配筋计算的部分研究成果总结如下：
吕志涛[9]通过最近进行的 6 根钢筋混凝土圆形截面梁和 2 根预应力混凝土圆形截面梁的试验研究，探讨了剪跨比，截面特征，纵向钢筋配筋率，配箍率以及轴向压力对梁抗剪强度的影响,在此基础上，建立了圆形截面受弯构件抗剪承载力的计算公式。刘军[10]通过试验结果的分析并结合 美国 ACI 规范与中国混凝土设计规范 中抗剪承载力公式，推导出圆形截面 GFRP 筋混凝土梁的抗剪承载力公式，采用该公式计算的结果与实测值非常相近。
从政治层面来讲，随着我国国际地位的不断提升，对于技术的发展提出了新的要求。为了完成全面建设社会主义现代化国家这一新目标，创新是引领发展的第一动力。而我们目前钢筋混凝土圆形截面承载力计算的方法以及抗剪承载力的相关内容，其实际为《混凝土结构设计规范》GBJ10-89 [4]中所包含的内容，在后续的《混规》GB50010-2010 中，主要针对的是材料的安全度和可靠度方面达到了相关标准要求（如 ISO 标准），但是，为了保证规范的设计习惯，在基本设计方法层面依然沿用的是之前方法。例如，正截面计算——等效矩形法。这种方法对于力学层面的理论分析不够精准，与我国由粗放向简约的发展方向有所违背。我们有必要推出一些相对来讲更加精确和简化的理论方法，由创新推动发展，为我国的发展模式由高速度到高质量的转化做出贡献。使相关构件的设计达到兼具安全、节能且简便的需求。
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第二章 混凝土截面无量纲配筋计算
2.1 正截面承载力计算方法
对于构件的正截面承载力起关键影响作用的是尺寸和材料性能。因此，对于钢筋混凝土截面来讲，纵向受力钢筋面积、强度和位置，以及混凝土的截面尺寸、强度等级和形状都对构件的承载力有着重要影响。由于钢筋达到屈服或混凝土发生开裂现象，钢筋混凝土的承载力计算还涉及了材料非线性的分析。又有轴力和弯矩之间的相互耦合关系，故截面的承载力和强度通常用轴力弯矩相关曲线图 2.1来表示。
目前，针对承载力计算的主要方法有以下几种：
（1）《混规》中简化的计算公式，此方法简化以后便于理解，计算过程清晰，但是在简化过程中引用了混凝土的等效矩形应力图，使得轴力弯矩相关曲线的精度存在些许偏差。并且，矩形时需要区分大小偏心，然后使用对应公式。圆形截面时更为复杂，要联立迭代方程组进行求解，且也直接引用了等效矩形应力图，并未考虑矩形直接等价使用在圆形截面中是否适用的问题？除此之外，此计算方法不能包含轴心受拉到受压的所有范围，如图 2.2 中区域②和⑤属于未包涵的区域。
（2）数值迭代求解法——此法使用范围广泛，具有普遍适用性，能通用于各种截面，各种本构关系和各种配筋分布情况。然而，此方法由于需要迭代计算，计算过程相当复杂，首先要给定相关曲线上每个点一个轴力，根据迭代找到满足轴力平衡条件的曲率，由此确定弯矩曲率的相关曲线，由极限曲率得出对应的弯矩值。
（3）《混规》附录 E 中任意截面的计算，同样具有普遍适用性。然而计算时同样没有全面考虑，缺少区域⑤的情况。
因此，基于图 2.2 极限承载力下应力分布图的应力分布规律，提出一种新的可用于任意截面正截面承载力的计算方法，通过极限应变求解极限轴力和弯矩。极限应变的变化是由区域①到区域⑤。计算出五个区域所有极限应变对应的极限轴力和弯矩值，通过无量纲化的方法减去截面尺寸带来的影响，可以得到无量纲的轴力弯矩相关曲线图形，基于此种承载力计算方式，本文推出关于混凝土圆形截面的三种配筋计算方法，分别为：圆形截面均匀配筋的无量纲诺模图、圆形截面非均匀配筋的无量纲诺模图和环形截面的非均匀配筋的无量纲诺模图，下面展示一下其推导原理。
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2.2 圆形均匀配筋的计算推导
目前，对于圆形截面配筋的计算采用的是《混规》中的配筋公式，然而使用的公式的推导过程是以简化的等效矩形应力图来换算混凝土的本构关系，此简化是由矩形混凝土截面引用而来，用于圆形截面时难免会产生误差。此公式中包含了两种近似：一为等效矩形应力换算，换算导致合力点的位置产生偏移，与真实合力点位置不能重合；二是直接套用了矩形的换算系数，而矩形用于圆形是否产生偏差，精确程度达到多少，规范及国内研究中并未有具有说服力的发表。等效矩形应力图在矩形截面时展现了其转化所带来的简便之处，可以通过手算快速求解，并且计算过程易于理解，结合国内可靠度理论的分项系数也解决了误差带来的安全问题。但是，圆形截面在引用等效矩形应力图以后，计算过程并不实用，由于公式属于超越方程，无法手算，需要计算机编程迭代求解，即在圆形截面中并未体现出其应有的效果。于是，本文参考一些国外规范，结合《混规》的一些符合我国现行标准的参数要求，试图提出一种关于圆形截面特有的配筋计算。此计算尝试解决的问题有以下几点：
（1）脱离等效矩形应力图的使用，按照图 1.2 的混凝土和钢筋本构关系图来推导环形的配筋公式，提高计算的精确度。
（2）为了达到简化计算的效果，将推导出的计算公式用一种图算的形式展示，通过对轴力弯矩的无量纲化，使无量纲图不受截面尺寸的影响，最终得出一图就能适用任意截面尺寸的计算。
图 2.1 轴力弯矩相关曲线图
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第三章 圆形截面非均匀对称配筋的无量纲诺模图.......................31
3.1 概述..................................31
3.2 圆形截面中钢筋应力和内力计算...................... 31
第四章 环形构件配筋计算..........................................45
4.1 环形截面承载力计算对比.....................................45
4.1.1 《混规》环形截面均匀配筋计算......................45
4.1.2 环形截面承载力计算图解法.....................................46
第五章 圆形截面构件的二阶效应分析......................................57
5.1 钢筋混凝土构件二阶效应综述.....................................59
5.2 二阶效应的计算类型..................................60
5.3 二阶无量纲诺模图的计算...................................61
第六章 中外斜截面承载力的比较
6.1 斜截面承载力概述
前面章节主要是正截面承载力的研究，通过合理精确的理论方式，引入国外规范中的一些理论，结合中国规范和中国实际情况对于正截面承载力进行了改良，推出一种精确且方便的手算方法。然而，这一切都是建立在构件不发生斜截面破坏的基础之上。众所周知，钢筋混凝土构件受弯以后，主要的承载阶段会产生垂直的裂缝，假如抗弯承载力不足，会沿垂直裂缝发生正截破坏。因此需要对构件进行正截面承载力验算。构件在承受弯矩的同时，往往还会承担着剪力。工程实践表明，在弯矩和剪力同时作用的区段，常产生斜裂缝，斜裂缝一般是由垂直裂缝延伸而成。斜截面破坏便是沿着斜裂缝发生
