發(fā)布時(shí)間：2020-07-16 06:02

【摘要】：20世紀(jì)初期,鋼筋混凝土薄殼結(jié)構(gòu)得到了廣泛應(yīng)用,至20世紀(jì)五六十年代,薄殼結(jié)構(gòu)的發(fā)展進(jìn)入了黃金時(shí)期。然而,隨著大批量結(jié)構(gòu)的建設(shè),薄殼結(jié)構(gòu)的兩個(gè)缺點(diǎn)逐漸凸顯,一是殼體結(jié)構(gòu)在建設(shè)過(guò)程中施工成本過(guò)高,統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明薄殼結(jié)構(gòu)的施工成本大約是總造價(jià)的60%;二是薄殼結(jié)構(gòu)在覆蓋超大空間時(shí)由于厚度較薄導(dǎo)致豎向剛度較弱,穩(wěn)定承載力偏低。20世紀(jì)七十年代后,更有吸引力的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)和張力結(jié)構(gòu)等新型輕質(zhì)大跨空間結(jié)構(gòu)形式逐漸興起,混凝土薄殼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用越來(lái)越少。然而,薄殼結(jié)構(gòu)因其優(yōu)美的外形和合理的承力構(gòu)形依然受建筑師的喜愛,眾多學(xué)者嘗試改進(jìn)和發(fā)展混凝土薄殼結(jié)構(gòu),它們?nèi)允强臻g結(jié)構(gòu)不可缺少的形式。大量研究表明,從結(jié)構(gòu)形式和復(fù)合材料兩個(gè)方面對(duì)混凝土薄殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn),以滿足現(xiàn)代結(jié)構(gòu)工程的需求和發(fā)展具有重要意義。因此,本文首先在增加新型材料的思路上,提出了一種新型CEG復(fù)合薄殼(Innovative Concrete/EPS-foam/Glass-fiber composite thin shell)。新型CEG復(fù)合薄殼結(jié)構(gòu)在保留了傳統(tǒng)混凝土材料作為上部面板的基礎(chǔ)上,增加了GFRP(Glass-Fiber Reinforced Plastics,玻璃纖維增強(qiáng)塑料)下部面板和EPS(Expanded Polystyrene,擴(kuò)展聚苯乙烯)芯層。為掌握新型CEG復(fù)合薄殼的受力性能,本文首先通過(guò)理論分析建立了基于扁殼模型的承載力計(jì)算公式;其次,采用大型有限元軟件ANSYS進(jìn)行了靜力分析和非線性分析;最后,進(jìn)行了新型CEG復(fù)合薄殼的縮尺試驗(yàn),并與傳統(tǒng)混凝土薄殼試件進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明,理論公式在彈性范圍內(nèi)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為一致;有限元模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好,典型破壞模態(tài)基本一致;新型CEG復(fù)合薄殼承載力比傳統(tǒng)混凝土薄殼高出169%,且延性較好。隨后,采用拓?fù)鋬?yōu)化方法,從改進(jìn)結(jié)構(gòu)形式方面對(duì)新型CEG復(fù)合薄殼進(jìn)行了優(yōu)化,構(gòu)建了一種折面CEG復(fù)合薄殼,并通過(guò)縮尺模型試驗(yàn),對(duì)比分析了折面CEG復(fù)合薄殼的承載性能及破壞模式。結(jié)果表明,折面CEG復(fù)合薄殼的承載力相對(duì)CEG復(fù)合薄殼可進(jìn)一步提高81%,其典型破壞模式是跨中位置處上部混凝土面板的拉伸破壞,底部GFRP面板的存在延緩了混凝土面板裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展,屬延性破壞。
【學(xué)位授予單位】：河南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TU37
【圖文】：

性能和視覺感受，建筑結(jié)構(gòu)的合理形式是幾千年來(lái)適應(yīng)材料發(fā)展的結(jié)果[1]。殼體屋蓋的發(fā)展可以追溯到古代，在人們使用與土有關(guān)的材料時(shí)，發(fā)現(xiàn)拱是一種有效的結(jié)構(gòu)形式，因?yàn)楣暗氖芰π问胶屯吝@種材料具有相似的受力特性，即主要具有抗壓強(qiáng)度和幾乎沒有抗拉強(qiáng)度的特點(diǎn)[2]。最初的拱結(jié)構(gòu)主要用于宗教建筑，隨后在歐洲羅馬帝國(guó)統(tǒng)治時(shí)期，許多拱結(jié)構(gòu)逐漸發(fā)展并應(yīng)用在了橋、渡槽和大門等結(jié)構(gòu)中。穹頂可以認(rèn)為是拱結(jié)構(gòu)形式向空間結(jié)構(gòu)方向的發(fā)展[3]。穹頂有著悠久的建筑歷史，幾個(gè)世紀(jì)以來(lái)，人們采用各種材料如木材、石頭、磚等建立了眾多的穹頂結(jié)構(gòu)。羅馬萬(wàn)神殿便是穹頂結(jié)構(gòu)的代表性建筑，該神殿建于 126 年（圖 1-1）。萬(wàn)神殿整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔明了，是以天然火山灰為主要原材料建筑的半球形穹頂，最大處直徑為 43.3 m，萬(wàn)神殿的跨度記錄直到 20 世紀(jì)才被打破。穹頂內(nèi)部設(shè)置了五層凹格，為減少自重，殼體結(jié)構(gòu)采取自下向上逐級(jí)減小厚度的策略，穹頂頂部處有一直徑為 8.9 m 的圓形空洞來(lái)增加采光。

薄殼結(jié)構(gòu)發(fā)展于二十世紀(jì)，1925 年德國(guó)耶拿玻璃廠建立的世界上第一個(gè)直徑 40米的鋼筋混凝土殼體結(jié)構(gòu)，被認(rèn)為是近代空間結(jié)構(gòu)和古代空間結(jié)構(gòu)的分水嶺[7, 8]。自此以后，世界各地建立了成千上萬(wàn)的混凝土殼體[1, 9]。二十世紀(jì)五六十年代，薄殼結(jié)構(gòu)的發(fā)展進(jìn)入了黃金時(shí)期[10, 11]。大量的薄殼建筑成為重要的地標(biāo)（圖 1-2），如羅馬奧運(yùn)會(huì)小體育館，美國(guó)麻省理工學(xué)院克雷斯吉大禮堂，墨西哥霍奇米洛克餐廳和澳大利亞悉尼歌劇院等[4, 12, 13]。（a）羅馬奧運(yùn)會(huì)小體育館 （b）麻省理工學(xué)院克雷斯吉大禮堂

（c）瑞士洛桑的聯(lián)邦理工學(xué)院學(xué)習(xí)中心 （d）福岡愛藍(lán)島新城中央公園圖 1-3 自由曲面鋼筋混凝土薄殼Fig.1-3 Free-form surface of reinforced concrete thin shell以上研究表明，從結(jié)構(gòu)形式和復(fù)合材料兩方面對(duì)傳統(tǒng)混凝土薄殼創(chuàng)新和改進(jìn)，來(lái)重新激發(fā)薄殼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用具有重要意義。本文受上述兩點(diǎn)啟發(fā)，提出了一種新型 CEG（Concrete/EPS-foam/Glass-fiber）復(fù)合薄殼結(jié)構(gòu)。夾層結(jié)構(gòu)形式的新型 CEG 復(fù)合薄殼結(jié)構(gòu)在保留了傳統(tǒng)混凝土材料的基礎(chǔ)上，增加了 GFRP 新型材料和 EPS 材料。并通過(guò)理論分析、有限元模擬和模型試驗(yàn)對(duì)新型 CEG 復(fù)合薄殼的受力性能進(jìn)行了研究。最后，為進(jìn)一步改進(jìn)新型 CEG 復(fù)合薄殼的受力性能，從結(jié)構(gòu)形式方面，采用拓?fù)鋬?yōu)化方法對(duì)新型 CEG 復(fù)合薄殼的形貌進(jìn)行了優(yōu)化分析，提出了一種折面 CEG 復(fù)合薄殼結(jié)構(gòu)并進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2757623