多尺度分析是指根据问题的实际需要，在整个模型的不同部位采用不同尺度（如不同几何尺寸、不同单元类型）的单元、算法等进行建模或分析的过程。在土木工程领域，多尺度问题按照分析角度可分为结构多尺度与材料多尺度。本文以多尺度思想方法为主线，将基于力流传递的拉压杆模型构形（属于结构多尺度范畴）与混凝土结构裂缝扩展（属于材料多尺度范畴）作为两个应用研究点，通过理论推导、数值模拟以及模型试验等方式，展示了多尺度分析方法在解决工程领域相关问题上的优越性，同时将两个研究点进行有机结合，以共同指导混凝土结构力流紊乱区的配筋设计。主要研究工作包括:　　(1)基于渐进结构优化理论，编制了结构双向拓扑优化算法，用于寻找结构的最优化构形，进而确定结构的拉压杆模型。针对传统有限元建模和优化方法无法确定某些结构拉压杆模型的情况，进一步提出了基于多尺度分析的分区渐进结构优化算法。在此基础上研究了包括薄板锚固区、三角形与矩形齿块锚固区（二维）与T形梁、箱梁（三维）等在内的结构力流传递规律及相应的拉压杆模型构形。　　(2)基于蒙特卡罗随机理论和混凝土材料的非均质特性，编制了细观层次混凝土结构的三相（水泥砂浆、骨料、界面过渡区）复合材料模型生成算法。引入Weibull分布函数对混凝土各相材料的力学参数进行描述，并对传统Weibull分布模型在表达力学参数分布上的不足进行了改进。在裂缝扩展数值模拟方面，提出一种利用无质量杆单元模拟裂缝扩展路径的实用新方法。在此基础上分别按刚度折减法与杆单元模拟裂缝法开发了细观尺度混凝土结构裂缝扩展模拟程序。　　(3)以马鞍山长江大桥混凝土质量控制课题为依托，分别开展了温湿度耦合作用和直接荷载作用下混凝土结构的裂缝扩展试验。在直接加载作用下混凝土结构裂缝扩展程序的基础上，提出了温湿度耦合作用下混凝土早期裂缝扩展仿真的一整套方法，并利用其对试验过程进行了数值模拟，将仿真结果与试验结果进行了对比讨论。　　(4)通过混凝土结构拉压杆模型思想与裂缝扩展之间的内在联系，发展并改进了基于拉压杆模型的混凝土结构配筋设计方法。依据裂缝扩展模拟技术获取的结构主要裂缝位置与分布，对利用结构优化算法生成的理想化拉压杆模型进行简化，同时求出各杆件内力，参照ACI-318规范指导混凝土结构配筋设计。　　(5)以通用有限元分析软件ANSYS为二次开发平台，联合APDL语言与Tcl/Tk语言开发了一款专门用于细观尺度混凝土裂缝扩展模拟的软件。此软件以插件的形式与ANSYS无缝连接，方便一般工程技术人员使用。最后通过一个应用算例对本插件的实用性进行了验证。