随着国家经济的迅猛发展,土木水利工程各领域探索并应用大型复杂混凝土结构的需求日益增加。为保证所建混凝土工程的可靠性、适用性及经济性,在结构研究领域中,钢筋混凝土结构仿真模型试验技术就得到了广泛应用。本文结合河南省杰出青年科学基金(04120002300)和河南省高校创新人才培养工程培养对象基金(豫教高[2004]294号),基于28根钢筋混凝土简支梁的试验实测成果,并以南水北调中线工程双洎河钢筋混凝土多纵梁渡槽结构为例,针对钢筋混凝土结构仿真模型弹塑性相似理论与仿真模型试验关键技术等方面进行了深入系统地研究。(1)根据各条裂缝的产生机理、延伸发展的特征和宽度变化规律,阐述和进一步明确了钢筋混凝土梁的裂缝分类统计分析原则,进行了各类型裂缝数量、平均裂缝间距、平均裂缝宽度及最大裂缝宽度分布规律的分类统计分析。明确了结构设计中裂缝宽度验算对应的裂缝形态特征,即该裂缝为在后续各级荷载作用下,因开裂截面钢筋拉应力和混凝土受拉区高度的持续增大而得以持续延伸到中和轴附近的主裂缝。(2)结合钢筋混凝土梁试验成果,对现行规范裂缝宽度验算公式进行了比较分析,结果表明：现行规范在计算大保护层和高截面梁的裂缝宽度时存在一定的误差,钢筋有效影响区计算方法的不同使得各规范裂缝宽度计算值产生差异。考虑保护层厚度与有效配筋率及截面高度等因素的裂缝宽度验算公式更加合理。提出了裂缝宽度验算模式的改进建议。(3)分析了钢筋混凝土梁保护层厚度、配筋和截面高度变化对钢筋水平位置处的裂缝间距和裂缝宽度的影响规律。提出了以纵向受拉钢筋直径和间距为变量的纵向受拉钢筋有效影响区即有效受拉截面高度的计算方法。建议了考虑截面高度与有效配筋指数耦合影响的平均裂缝间距计算模式。改进了最大裂缝宽度的计算模式。与实测值的比较结果表明建议公式精度较好,且更适用于大保护层和高截面的钢筋混凝土梁。(4)系统地量测了正常使用各级荷载下钢筋混凝土梁受拉区内不同高度处的裂缝间距与裂缝宽度。分析了保护层厚度、配筋及截面高度变化对受拉区内各位置处裂缝间距和宽度的影响规律,研究了受拉区范围内各个高度处与钢筋重心水平对应的梁侧面裂缝宽度之间的比值关系,提出了该比值的计算方法。(5)研究了钢筋混凝土梁开裂后正常使用阶段各级荷载下裂缝延伸高度的发展规律。通过试验数据的统计分析,建立了主裂缝间距稳定时的荷载水平与开裂荷载之间的经验公式。依据裂缝延伸机理,指出纵向受拉钢筋有效影响区的存在是裂缝延伸高度产生差异性的根本原因。给出了钢筋混凝土梁裂缝延伸不同状态下高度的解析解,其与试验值吻合良好。研究成果为评估钢筋混凝土梁服役期内的工作性能提供了依据。(6)引入结构仿真模型试验相似理论,建立了钢筋混凝土受弯构件正截面抗裂弯矩的相似比计算方法。根据试验研究成果提出了考虑截面高度、混凝土保护层厚度与配筋率等参数的截面抵抗矩塑性系数计算公式。(7)结合结构仿真模型试验相似理论,依据裂缝宽度计算理论与试验数据统计分析,分别推导出钢筋混凝土梁平均裂缝间距与最大裂缝宽度的相似比计算公式。使模型钢筋混凝土试验得到的裂缝间距与宽度可以反演到原型梁中去。(8)采用三维有限元计算方法,对比分析了钢筋混凝土多纵梁渡槽原型及其仿真试验模型的受力性能。研究了以面力模拟渡槽自重、以等效集中荷载或阶梯形均布荷载模拟渡槽横向水荷载对渡槽结构变形和混凝土应力的影响规律,对模型试验加载方法的合理性进行了评价。(9)通过钢筋混凝土多纵梁渡槽仿真模型与原型在弹性和弹塑性阶段的相似比,将钢筋混凝土多纵梁渡槽模型受力性能实测结果反演为原型受力状态。采用三维非线性有限元分析方法,计算了渡槽原型在自重荷载、设计水位荷载、校核水位荷载作用下的受力性能,并与原型反演值进行了对比,证明了渡槽模型试验测得的纵横梁和侧墙截面开裂荷载、应力及渡槽竖向位移和支座反力的合理性,反演计算后可用于正确评价渡槽原型的正常使用状态的受力性能。(10)从便于进行大型复杂结构优化设计运用的角度出发,基于钢筋混凝土梁正常使用阶段最大裂缝宽度的计算,推导出裂缝截面混凝土名义拉应力与最大裂缝宽度的理论关系公式。基于大量试验资料的数理统计分析和可靠性要求,提出了名义拉应力的简化计算公式和实用公式。(11)以钢筋混凝土多纵梁渡槽的三维实体有限元参数化模型为基础,以截面抗裂原则控制侧墙和底板的应力值,以结构变形协调调整各纵横梁的间距大小,由名义拉应力法约束各纵横梁跨中底部应力值,以结构自重最轻为目标函数对渡槽进行寻优分析,使得渡槽各主要受力构件的截面尺寸和布置为最优。采用三维梁壳有限元模型计算出优化渡槽各构件内力值并对其进行配筋。与原设计方案比较,优化后的渡槽结构自重轻、刚度分布合理、变形协调一致且配筋经济。