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随着高强轻质材料的使用、结构设计方法和施工技术的发展,大跨度空间结构的发展日新月异。而网壳结构作为沿曲面形成的空间结构形式之一,呈三维受力状态,其结构形式新颖、活泼,具有形体美,极富艺术表现力,因而得到广泛的应用与研究。然而跨度较大的网壳结构仍存在耗钢量大、造价高的问题。因此,本文提出了一种新型空间组合网壳结构形式--BFRP管混凝土网壳,利用BFRP管混凝土抗压强度高和耐腐蚀性好等优点,减少耗钢量,降低造价,提高杆件的稳定性,改善结构受力性能。
本文首先通过试验研究了BFRP管混凝土组合构件的基本工作机理和特点。之后,将试验数据与Samaan与Mirmiran模型、Xiao与Wu模型、Lam与Teng模型和吴刚模型四种常用模型对比分析,其中吴刚模型与试验数据较为吻合,且偏于安全,可满足实际工程中的设计要求,在本文中选用此模型的计算数据作为网壳结构建模分析的材料参数。同时,对比试验数据分析可得管径和管厚等参数对其应力-应变关系曲线的影响。
利用有限元软件ANSYS对应用较广的Kiewitt6型单层球面钢管网壳和BFRP管混凝土组合网壳进行建模和求解,分别得出不同跨度和矢跨比、不同杆件截面尺寸的两种网壳结构的荷载-位移曲线;经过对其总重、承载力、造价等方面的对比分析,指出BFRP管混凝土网壳的优越性。
通过对BFRP管混凝土组合网壳结构受力全过程进行非线性分析,绘出了每例结构迭代结束时位移最大节点的荷载.位移曲线,求得它们的临界荷载。通过参数分析,揭示了单层BFRP管混凝土网壳结构稳定性能的基本特征和失稳机理。同时,探讨了荷载分布方式、初始缺陷大小和分布方式等参数对单层球面BFRP管混凝土网壳稳定性能的影响规律。
通过有限元软件ANSYS和数值软件MATLAB模拟并分析BFRP管混凝土网壳结构在动力荷载作用下的响应。其中,自振特性分析结果显示其属于频率密集型结构,因此在对结构进行动力响应分析时应采用时程分析法,在条件允许时可考虑多阶振型的影响以提高计算精度。之后对结构进行了不同地震波、不同视波速作用下结构地震响应分析,可得对大跨度网壳结构进行地震响应分析时应合理选择地震动记录,同时视波速低于500m/s时,应考虑行波效应对其的影响。最后,采用脉动风速模拟程序来模拟BFRP管混凝土网壳的风速时程曲线对结构进行风振时程分析,结果显示由于BFRP管混凝土网壳自重较大,对风荷载作用相对不敏感。因此,在风载较大的地区,大跨结构采用BFRP管混凝土杆件具有较大的优势。