新型CEG复合薄壳结构的受力性能及形态优化研究

发布时间：2020-07-16 06:02

【摘要】：20世纪初期,钢筋混凝土薄壳结构得到了广泛应用,至20世纪五六十年代,薄壳结构的发展进入了黄金时期。然而,随着大批量结构的建设,薄壳结构的两个缺点逐渐凸显,一是壳体结构在建设过程中施工成本过高,统计结果表明薄壳结构的施工成本大约是总造价的60%;二是薄壳结构在覆盖超大空间时由于厚度较薄导致竖向刚度较弱,稳定承载力偏低。20世纪七十年代后,更有吸引力的网格结构和张力结构等新型轻质大跨空间结构形式逐渐兴起,混凝土薄壳结构的应用越来越少。然而,薄壳结构因其优美的外形和合理的承力构形依然受建筑师的喜爱,众多学者尝试改进和发展混凝土薄壳结构,它们仍是空间结构不可缺少的形式。大量研究表明,从结构形式和复合材料两个方面对混凝土薄壳结构进行改进,以满足现代结构工程的需求和发展具有重要意义。因此,本文首先在增加新型材料的思路上,提出了一种新型CEG复合薄壳(Innovative Concrete/EPS-foam/Glass-fiber composite thin shell)。新型CEG复合薄壳结构在保留了传统混凝土材料作为上部面板的基础上,增加了GFRP(Glass-Fiber Reinforced Plastics,玻璃纤维增强塑料)下部面板和EPS(Expanded Polystyrene,扩展聚苯乙烯)芯层。为掌握新型CEG复合薄壳的受力性能,本文首先通过理论分析建立了基于扁壳模型的承载力计算公式;其次,采用大型有限元软件ANSYS进行了静力分析和非线性分析;最后,进行了新型CEG复合薄壳的缩尺试验,并与传统混凝土薄壳试件进行了对比。结果表明,理论公式在弹性范围内与实验结果较为一致;有限元模拟结果与试验结果吻合较好,典型破坏模态基本一致;新型CEG复合薄壳承载力比传统混凝土薄壳高出169%,且延性较好。随后,采用拓扑优化方法,从改进结构形式方面对新型CEG复合薄壳进行了优化,构建了一种折面CEG复合薄壳,并通过缩尺模型试验,对比分析了折面CEG复合薄壳的承载性能及破坏模式。结果表明,折面CEG复合薄壳的承载力相对CEG复合薄壳可进一步提高81%,其典型破坏模式是跨中位置处上部混凝土面板的拉伸破坏,底部GFRP面板的存在延缓了混凝土面板裂缝的产生和扩展,属延性破坏。
【学位授予单位】：河南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TU37
【图文】：

穹顶,拱结构,穹顶结构,半球形穹顶

性能和视觉感受，建筑结构的合理形式是几千年来适应材料发展的结果[1]。壳体屋盖的发展可以追溯到古代，在人们使用与土有关的材料时，发现拱是一种有效的结构形式，因为拱的受力形式和土这种材料具有相似的受力特性，即主要具有抗压强度和几乎没有抗拉强度的特点[2]。最初的拱结构主要用于宗教建筑，随后在欧洲罗马帝国统治时期，许多拱结构逐渐发展并应用在了桥、渡槽和大门等结构中。穹顶可以认为是拱结构形式向空间结构方向的发展[3]。穹顶有着悠久的建筑历史，几个世纪以来，人们采用各种材料如木材、石头、砖等建立了众多的穹顶结构。罗马万神殿便是穹顶结构的代表性建筑，该神殿建于 126 年（图 1-1）。万神殿整体结构简洁明了，是以天然火山灰为主要原材料建筑的半球形穹顶，最大处直径为 43.3 m，万神殿的跨度记录直到 20 世纪才被打破。穹顶内部设置了五层凹格，为减少自重，壳体结构采取自下向上逐级减小厚度的策略，穹顶顶部处有一直径为 8.9 m 的圆形空洞来增加采光。

薄壳结构,工程,礼堂,二十世纪

薄壳结构发展于二十世纪，1925 年德国耶拿玻璃厂建立的世界上第一个直径 40米的钢筋混凝土壳体结构，被认为是近代空间结构和古代空间结构的分水岭[7, 8]。自此以后，世界各地建立了成千上万的混凝土壳体[1, 9]。二十世纪五六十年代，薄壳结构的发展进入了黄金时期[10, 11]。大量的薄壳建筑成为重要的地标（图 1-2），如罗马奥运会小体育馆，美国麻省理工学院克雷斯吉大礼堂，墨西哥霍奇米洛克餐厅和澳大利亚悉尼歌剧院等[4, 12, 13]。（a）罗马奥运会小体育馆（b）麻省理工学院克雷斯吉大礼堂

形貌,薄壳,自由曲面,钢筋混凝土

（c）瑞士洛桑的联邦理工学院学习中心（d）福冈爱蓝岛新城中央公园图 1-3 自由曲面钢筋混凝土薄壳Fig.1-3 Free-form surface of reinforced concrete thin shell以上研究表明，从结构形式和复合材料两方面对传统混凝土薄壳创新和改进，来重新激发薄壳结构的应用具有重要意义。本文受上述两点启发，提出了一种新型 CEG（Concrete/EPS-foam/Glass-fiber）复合薄壳结构。夹层结构形式的新型 CEG 复合薄壳结构在保留了传统混凝土材料的基础上，增加了 GFRP 新型材料和 EPS 材料。并通过理论分析、有限元模拟和模型试验对新型 CEG 复合薄壳的受力性能进行了研究。最后，为进一步改进新型 CEG 复合薄壳的受力性能，从结构形式方面，采用拓扑优化方法对新型 CEG 复合薄壳的形貌进行了优化分析，提出了一种折面 CEG 复合薄壳结构并进行了试验研究。

【参考文献】