大跨度钢混凝土组合薄壳屋盖试验研究与有限元分析

摘要

大跨度钢—混凝土组合薄壳是混凝土薄壳屋盖结构的一个最新发展。它由钢底壳及上部现浇混凝土层组成，钢底壳由大量标准化的钢模板单元通过螺栓连接而成形，它即可以作为混凝土施工时的模板，又是成型后的加强钢筋。该新型结构不仅保留了混凝土薄壳屋盖的所有优点，又不需要使用临时模板，并大幅减少临时支撑。目前，对于这种新型组合结构体系的研究正在作进一步完善。 本文主要研究大跨度钢—混凝土组合薄壳在使用阶段的稳定与承载受力性能。通过对这种组合壳体模型的整体承载性能、节点受力特征的试验，对包括裂缝的出现与开展、单元连接螺栓的失效以及钢底壳单元的屈曲等作了详细的观察与分析，得出了在四点对称集中荷载作用下壳体的非线性行为。然后，在曲线坐标系下，得出了壳体结构分析与计算的基本微分方程，并采用能量原理探讨了组合壳的整体和局部稳定性。 本文基于有限元方法，对组合薄壳单元块之间螺栓连接采用离散弹簧单元进行了模拟，然后采用四边形平板单元，考虑混凝土、钢板及螺栓连接的非线性行为，推导了用于组合薄壳分析的单元刚度和整体刚度矩阵，建立了整体结构结点位移和结点荷载之间的基本方程式。最后，采用ANSYS三维有限元非线性分析程序，通过对混凝土和钢板分别选取不同的单元及相应参数，建立组合薄壳的有限元分析模型，对其进行了全过程数值模拟。分析结果与试验结果基本符合。结果表明，在一定假设前提下，利用已有的有限元程序来分析组合薄壳屋盖，仍可获得足够的精度。

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第1章绪论

1.1壳体结构的发展与应用

1.2壳体结构的发展的主要障碍

1.3钢—混凝土结构(板)壳结构

1.4新型大跨度钢—混凝土组合薄壳屋盖

1.5本文的主要工作及研究意义

第2章大跨度钢—混凝土组合薄壳屋盖试验

2.1引言

2.2钢—混凝土组合薄壳承载性能试验

2.3钢—混凝土组合壳螺栓节点试验

2.4小结

第3章壳体理论与分析

3.1壳体的力学特征

3.2弹性薄壳的—般性理论

3.2.1壳体理论的基本假定

3.2.2薄壳基本微分方程

3.3柱壳

3.3.1柱壳力学特征

3.3.2柱壳基本方程

3.3.3圆柱壳稳定性

3.4钢—混凝土组合薄壳中的屈曲问题

第4章钢—混凝土组合薄壳的非线性分析

4.1薄壳结构的有限元理论与发展

4.2钢—混凝土组合结构有限元分析

4.3大跨度钢—混凝土组合薄壳有限元分析

4.3.1基本假定

4.3.2本构关系

4.3.3单元模型

4.4 ANSYS求解分析与试验验证

4.4.1引言

4.4.2混凝土单元——Solid 65

4.4.3 ANSYS非线性计算

4.4.4有限元分析过程

4.4.5数值模拟结果与试验结果的比较

结论

参考文献

致谢