钢混凝土组合肋壳受力性能和失效机理研究

Steel concrete composite ribbed shell can make full use of material properties, enhance structural stability, and improve water resistance and durability, so it has a broad application prospects. The mechanical and failure mechanism will be studied by experimental research and numerical analysis in this project. Firstly, the pressure difference inside and outside is used in static loading test while vibration table in dynamic loading test, some typical node tests are made, all the above tests are made to explore the basic mechanical properties. Secondly, based on the continuous theory, the basic differential equation is established by quasi-shell method, and then the numerical model is made by considering initial imperfection, wave passage effect, geometrical and material nonlinear etc., the whole loading-deformation process is simulated. Finally, the damage model is made by considering material damage effect, the relation between damage response index and influence factors such as span-high ratio, span and section dimension is established under strong seismic,the stable criterion suitable to composite ribbed shell is proposed. The mechanical performance and failure mechanism are revealed through experimental research and numerical analysis, which can provide theoretical basis and design guidance for structure optimization, design and construction, and can be referenced for the revision of reinforced concrete shell code and hybrid special structure research.

钢混凝土组合肋壳能充分利用材料性能，增强结构稳定性，提高结构抗火性和耐久性，具有广阔的应用前景。本项目采用试验研究和理论分析相结合的方法，对钢混凝土组合肋壳的受力性能和失效机理进行研究。首先，采用内外气压差和振动台对整体结构进行静、动力加载试验，对典型节点进行节点试验，初步掌握结构静、动力荷载下的力学性能。其次，基于连续化理论，利用拟壳法建立结构基本微分方程；考虑结构初始缺陷、几何材料双重非线性以及行波效应等影响要素，建立数值模型，对组合肋壳受力全过程进行数值仿真分析，并与试验结果进行比较。最后，考虑材料损伤影响，建立强震下组合肋壳损伤模型，确定结构破坏响应指标与矢跨比、跨度、截面尺寸参数的数值关系，提出适合本结构的稳定判定准则。通过试验研究和数值分析，揭示组合肋壳力学性能和失效机理，为结构优化，工程设计施工提供理论依据和设计指导，为钢筋混凝土薄壳规程修订和其他组合结构提供参考。

随着经济水平的发展，涌现出一大批不同材料、不同结构形式的新型大跨度空间结构，本项目提出的钢-混凝土组合肋壳结构就是其中一类，该结构能客服混凝土壳体结构施工繁琐、成本高昂等缺陷，同时与钢网壳相比具有更好的稳定性和承载力，具有良好的工程应用前景。本项目对钢混凝土组合肋壳结构分别开展试验研究和理论分析，主要讨论组合肋壳在静载、动载下内力传递、裂缝开展、变形形式等，揭示结构的受力性能和失效机理。由组合肋壳与组合肋网整体结构倒塌试验发现，竖向集中荷载下两个试件均发生强度失效破坏，组合肋网承载力为组合肋壳的1/3；通过节点试验得到节点破坏与钢肋板厚度有关，出现钢肋板屈曲和混凝土压碎两种破坏情况；分别建立组合肋壳一般数值计算模型和损伤计算模型，基于非线性有限元理论，采用全过程跟踪方法，研究结构静力、动力荷载下力学性能，并开展多参数结构稳定性研究，确定不同荷载下结构的承载力和失稳形式，提出以位移为控制的静力失稳判定准则和考虑应变的结构损伤因子；基于连续化分析方法，建立组合肋壳在均布荷载下的微分方程，与非线性有限元数值方法相结合，得到组合肋壳极限承载力计算公式；并结合本项目中结构试验，本项目的研究可作为钢混凝土组合肋壳结构在强震、爆炸等突发性荷载后继研究的基础，为组合肋壳结构几何优化、工程施工提供理论依据和设计参考，进一步丰富组合壳体结构研究理论，亦可为钢筋混凝土薄壳规程的修订提供参考数据。