钢筋混凝土结构在我国建筑、交通基础设施中发挥着不可替代的作用。由于组成钢筋混凝土结构的混凝土和钢筋本身均为非线性材料,且大多数混凝土结构都是带裂缝工作的,另外既有的混凝土结构由于内部损伤的累积、徐变收缩、老化、环境温度等的影响,其非线性更加突出。本文参照杆系结构有限元分析理论,以纤维梁模型为基础,提出了基于十三自由度纤维梁模型的混凝土结构非线性分析理论。以混凝土箱梁为例,对其在环境与荷载耦合作用下考虑时间效应的非线性行为进行了理论研究,其主要研究内容如下:(1)基于Euler-Bernoulli梁单元理论,在经典的十二自由度空间梁单元杆系模型基础上,从单元的中间位置增加一个节点,引入了第十三个附加的轴向位移自由度。首先根据虚位移原理,推导出了基于构件的十三自由度纤维梁模型的单元刚度矩阵。然后根据静力凝聚法,引入非力学应变,对十三自由度单元刚度矩阵进行了处理。最后基于Newton-Raphson迭代法,并考虑时间效应的影响,通过MATLAB编程求解单元平衡方程组,提出了基于十三自由度纤维梁模型的混凝土结构非线性研究理论。(2)为了验证本文提出的十三自由度纤维梁模型理论的正确性,以既有学者做过的箱梁试验模型为例,根据本文方法对其进行了全过程非线性行为研究,并与试验结果进行对比分析可知:根据本文方法得到的箱梁跨中荷载-挠度曲线、受拉侧钢筋的荷载-应力曲线和荷载-应变曲线分别与模型试验值相比趋势一致,误差较小,曲线吻合良好,证明了本文提出的十三自由度纤维梁模型理论是正确的,本文方法对于混凝土结构的非线性研究具有较高的精度。(3)以我国250km/h无砟轨道32m预应力混凝土简支箱梁为例,研究了箱梁在长期环境与荷载耦合作用下的非线性力学性能及其演变规律。研究发现,根据本文方法得到的箱梁跨中荷载-挠度曲线完全符合受弯构件的全过程受力特性与破坏形态,且箱梁有足够的安全储备。将荷载-挠度曲线与规范解对比发现,由本文方法得到的开裂荷载、开裂挠度和极限荷载与规范值相比误差均在9%以内,但极限挠度误差达到了77%,设计时应予以重视。(4)研究了预应力筋配筋率、预应力筋张拉系数、非预应力筋、加载方式、使用年限等对箱梁非线性受力性能的影响,研究发现:随着配筋率的增大,箱梁的承载能力有所提高,但延性性能变差;在同一荷载水平下,箱梁的承载能力随着预应力筋张拉系数的增大而提高,延性性能随着张拉系数的增大变差;不同加载方式下箱梁的荷载-挠度趋势是一致的,但其承载力大小不同,尤其是变形性能相差较大;随着使用年限的增加,箱梁的承载能力降低,跨中挠度增大,延性性能变差。(5)为了分析本文提出的梁跨中弯矩-挠度四折线简化计算模型的合理性,以模型试验为例对其进行非线性分析可知,由简化计算方法得到梁跨中弯矩-挠度关系与文献试验解趋势一致,其弯矩和挠度值与试验结果吻合良好,所以本文提出的弯矩-挠度简化计算模型是合理的。