混凝土构件的设计与评估通常在截面(一维单元)或点(二维单元)层面进行。该方法在所有结构设计标准中均有描述,例如(EN 1992-1-1 或 ACI 318-19),并广泛应用于日常结构工程实践。然而,人们并不总是了解或遵守这样一点:该方法仅适用于满足平截面应变分布的 Bernoulli-Navier 假设的区域(称为 B 区)。不满足该假设的位置称为不连续区或扰动区(D 区)。一维单元的 B 区和 D 区示例见(图 1)。这些区域包括支承区、集中荷载作用部位、截面突变处、洞口等。在进行混凝土结构设计时,我们还会遇到许多其他 D 区,例如墙、桥梁横隔板、牛腿等。

过去,不连续区的设计采用半经验设计规则。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(Marti 1985)所取代,二者已纳入现行设计规范,并被设计人员广泛使用。这些模型在力学上是自洽的,是功能强大的工具。需要注意的是,应力场通常可以是连续的或不连续的,而拉压杆模型是不连续应力场的一种特例。
尽管过去几十年来计算工具不断发展,拉压杆模型本质上仍以手算为主。由于需要迭代,并且需要考虑多个荷载工况,将其应用于实际结构既繁琐又耗时。此外,该方法不适用于验证正常使用准则(变形、裂缝宽度等)。
结构工程师对可靠、快速的 D 区设计工具的需求,促成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,可对承受面内荷载的结构混凝土构件进行自动设计与评估。
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补充了运动学考虑,即对整个结构的应变状态进行评估。因此,可以根据横向应变状态自动计算混凝土的有效抗压强度,其方式与考虑压力软化的压力场分析 (Vecchio 和 Collins 1986;Kaufmann 和 Marti 1998)以及 EPSF 方法(Fernández Ruiz 和 Muttoni 2007)类似。此外,CSFM 考虑了拉力刚化,为单元提供真实的刚度,并涵盖了以往方法未能一致处理的所有设计规范规定(包括正常使用和变形能力方面)。CSFM 采用设计标准中给出的混凝土和钢筋的常用单轴本构关系。这些关系在设计阶段是已知的,因此可以使用分项系数法。因此,设计人员无需提供非线性有限元分析通常所需的、往往带有任意性的额外材料特性,使该方法非常适用于工程实践。
为了促进结构工程师使用计算机辅助应力场,这些方法应在用户友好的软件环境中实现。为此,CSFM 已在 IDEA StatiCa Detail 中实现;这是一款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 项目框架内共同开发。



