混凝土构件的设计与评估通常在截面(一维构件)或点(二维构件)层面进行。该方法在所有结构设计规范中均有描述,例如(EN 1992-1-1 或 ACI 318-19),并在日常结构工程实践中广泛应用。然而,并非所有人都了解或遵守这样一个事实:该方法仅适用于满足平截面假定(Bernoulli-Navier 假定)的区域(称为 B 区)。不满足该假定的区域称为不连续区或扰动区(D 区)。一维构件中 B 区和 D 区的示例见(图 1)。例如,支承区、集中荷载作用区、截面突变处、开洞处等均属于 D 区。在混凝土结构设计中,还会遇到许多其他 D 区,如墙体、桥梁横隔板、牛腿等。

过去,不连续区的尺寸设计采用半经验设计规则。幸运的是,过去几十年来,这些规则已在很大程度上被拉压杆模型(Schlaich 等,1987)和应力场法(Marti 1985)所取代,这两种方法已纳入现行设计规范,并被设计人员广泛使用。这些模型在力学上具有一致性,是强有力的工具。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殊情况。
尽管过去几十年计算工具不断发展,拉压杆模型在本质上仍以手算方式使用。由于需要迭代计算,且需考虑多种荷载工况,其在实际工程结构中的应用繁琐且耗时。此外,该方法不适用于验证正常使用极限状态准则(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,推动了新型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,可对承受平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(协调应力场法))是一种基于有限单元法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量,即对结构全域的应变状态进行评估。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的压缩场分析(Vecchio and Collins 1986;Kaufmann and Marti 1998)及 EPSF 方法(Fernández Ruiz and Muttoni 2007)类似。此外,CSFM(协调应力场法)考虑了拉力刚化效应,为构件提供了符合实际的刚度,并涵盖了所有设计规范要求(包括正常使用极限状态和变形能力方面),弥补了以往方法的不足。CSFM(协调应力场法)采用设计规范为混凝土和钢筋提供的常用单轴本构关系,这些关系在设计阶段即已确定,从而可采用分项安全系数法。因此,设计人员无需像非线性有限单元法分析那样提供额外的、往往带有主观性的材料参数,使该方法完全适用于工程实践。
为推动结构工程师使用计算机辅助应力场方法,这些方法应在用户友好的软件环境中加以实现。为此,CSFM(协调应力场法)已在 IDEA StatiCa Detail 中实现;这是一款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的新型用户友好商业软件。
