【摘要】：20世紀初期,鋼筋混凝土薄殼結構得到了廣泛應用,至20世紀五六十年代,薄殼結構的發(fā)展進入了黃金時期。然而,隨著大批量結構的建設,薄殼結構的兩個缺點逐漸凸顯,一是殼體結構在建設過程中施工成本過高,統(tǒng)計結果表明薄殼結構的施工成本大約是總造價的60%;二是薄殼結構在覆蓋超大空間時由于厚度較薄導致豎向剛度較弱,穩(wěn)定承載力偏低。20世紀七十年代后,更有吸引力的網格結構和張力結構等新型輕質大跨空間結構形式逐漸興起,混凝土薄殼結構的應用越來越少。然而,薄殼結構因其優(yōu)美的外形和合理的承力構形依然受建筑師的喜愛,眾多學者嘗試改進和發(fā)展混凝土薄殼結構,它們仍是空間結構不可缺少的形式。大量研究表明,從結構形式和復合材料兩個方面對混凝土薄殼結構進行改進,以滿足現(xiàn)代結構工程的需求和發(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復合薄殼(Innovative Concrete/EPS-foam/Glass-fiber composite thin shell)。新型CEG復合薄殼結構在保留了傳統(tǒng)混凝土材料作為上部面板的基礎上,增加了GFRP(Glass-Fiber Reinforced Plastics,玻璃纖維增強塑料)下部面板和EPS(Expanded Polystyrene,擴展聚苯乙烯)芯層。為掌握新型CEG復合薄殼的受力性能,本文首先通過理論分析建立了基于扁殼模型的承載力計算公式;其次,采用大型有限元軟件ANSYS進行了靜力分析和非線性分析;最后,進行了新型CEG復合薄殼的縮尺試驗,并與傳統(tǒng)混凝土薄殼試件進行了對比。結果表明,理論公式在彈性范圍內與實驗結果較為一致;有限元模擬結果與試驗結果吻合較好,典型破壞模態(tài)基本一致;新型CEG復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,采用拓撲優(yōu)化方法,從改進結構形式方面對新型CEG復合薄殼進行了優(yōu)化,構建了一種折面CEG復合薄殼,并通過縮尺模型試驗,對比分析了折面CEG復合薄殼的承載性能及破壞模式。結果表明,折面CEG復合薄殼的承載力相對CEG復合薄殼可進一步提高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生和擴展,屬延性破壞。
【學位授予單位】：河南大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TU37
【圖文】：

性能和視覺感受，建筑結構的合理形式是幾千年來適應材料發(fā)展的結果[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的材料時，發(fā)現(xiàn)拱是一種有效的結構形式，因為拱的受力形式和土這種材料具有相似的受力特性，即主要具有抗壓強度和幾乎沒有抗拉強度的特點[2]。最初的拱結構主要用于宗教建筑，隨后在歐洲羅馬帝國統(tǒng)治時期，許多拱結構逐漸發(fā)展并應用在了橋、渡槽和大門等結構中。穹頂可以認為是拱結構形式向空間結構方向的發(fā)展[3]。穹頂有著悠久的建筑歷史，幾個世紀以來，人們采用各種材料如木材、石頭、磚等建立了眾多的穹頂結構。羅馬萬神殿便是穹頂結構的代表性建筑，該神殿建于 126 年（圖 1-1）。萬神殿整體結構簡潔明了，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，萬神殿的跨度記錄直到 20 世紀才被打破。穹頂內部設置了五層凹格，為減少自重，殼體結構采取自下向上逐級減小厚度的策略，穹頂頂部處有一直徑為 8.9 m 的圓形空洞來增加采光。

薄殼結構發(fā)展于二十世紀，1925 年德國耶拿玻璃廠建立的世界上第一個直徑 40米的鋼筋混凝土殼體結構，被認為是近代空間結構和古代空間結構的分水嶺[7, 8]。自此以后，世界各地建立了成千上萬的混凝土殼體[1, 9]。二十世紀五六十年代，薄殼結構的發(fā)展進入了黃金時期[10, 11]。大量的薄殼建筑成為重要的地標（圖 1-2），如羅馬奧運會小體育館，美國麻省理工學院克雷斯吉大禮堂，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）羅馬奧運會小體育館 （b）麻省理工學院克雷斯吉大禮堂

（c）瑞士洛桑的聯(lián)邦理工學院學習中心 （d）福岡愛藍島新城中央公園圖 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，從結構形式和復合材料兩方面對傳統(tǒng)混凝土薄殼創(chuàng)新和改進，來重新激發(fā)薄殼結構的應用具有重要意義。本文受上述兩點啟發(fā)，提出了一種新型 CEG（Concrete/EPS-foam/Glass-fiber）復合薄殼結構。夾層結構形式的新型 CEG 復合薄殼結構在保留了傳統(tǒng)混凝土材料的基礎上，增加了 GFRP 新型材料和 EPS 材料。并通過理論分析、有限元模擬和模型試驗對新型 CEG 復合薄殼的受力性能進行了研究。最后，為進一步改進新型 CEG 復合薄殼的受力性能，從結構形式方面，采用拓撲優(yōu)化方法對新型 CEG 復合薄殼的形貌進行了優(yōu)化分析，提出了一種折面 CEG 復合薄殼結構并進行了試驗研究。

【參考文獻】

相關期刊論文 前10條

1 佐佐木睦朗;余中奇;;自由曲面鋼筋混凝土殼體結構設計[J];時代建筑;2014年05期

2 吳斌杰;;拓撲優(yōu)化在疊層桁架轉換結構概念設計階段的應用[J];建筑結構;2012年S2期

3 董石麟;;中國空間結構的發(fā)展與展望[J];建筑結構學報;2010年06期

4 董石麟;;空間結構的發(fā)展歷史、創(chuàng)新、形式分類與實踐應用[J];空間結構;2009年03期

5 郭中澤;張衛(wèi)紅;陳裕澤;;結構拓撲優(yōu)化設計綜述[J];機械設計;2007年08期

6 謝濤;劉靜;劉軍考;;結構拓撲優(yōu)化綜述[J];機械工程師;2006年08期

7 朱燈林;陳俊偉;俞潔;馮春玲;;結構拓撲優(yōu)化設計的研究現(xiàn)狀及其應用[J];機械制造與自動化;2005年06期

8 董石麟,趙陽;論空間結構的形式和分類[J];土木工程學報;2004年01期

9 胡山鷹,陳丙珍,何小榮,沈靜珠;非線性規(guī)劃問題全局優(yōu)化的模擬退火法[J];清華大學學報(自然科學版);1997年06期

10 席裕庚，柴天佑，惲為民;遺傳算法綜述[J];控制理論與應用;1996年06期

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1 牛飛;劉鵬;張浩;王宇;;結構拓撲優(yōu)化綜述[A];第十屆中國CAE工程分析技術年會會議論文集[C];2014年

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1 余X;三明治結構屈曲褶皺現(xiàn)象的多尺度建模與仿真[D];武漢大學;2014年

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1 蘇勝偉;基于Optistruct拓撲優(yōu)化的應用研究[D];哈爾濱工程大學;2008年

2 王春會;連續(xù)體結構拓撲優(yōu)化設計[D];西北工業(yè)大學;2005年

本文編號：2757623