大跨度冰壳结构设计与监测方法研究

作     者：陈博轩 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：沈世钊;武岳

授予年度：2018年

学科分类：08[工学] 081402[工学-结构工程] 081304[工学-建筑技术科学] 0813[工学-建筑学] 0814[工学-土木工程] 

主      题：冰雪建筑结构 大跨度冰壳结构 结构健康监测 传感技术 数据采集系统 复合冰材料 

摘      要：大跨度冰壳结构作为一种新型冰雪结构形式,可形成高度、跨度较大的单层封闭空间,具有晶莹的半透明质地和美观的自由曲面外形,有较高的实用及艺术观赏价值。由于冰材料具有较强的蠕变及温度敏感性,冰壳结构在服役过程中易出现裂缝、局部塌陷及空洞破坏等问题,严重影响结构安全性和适用性。而以往针对该结构形式的响应规律研究仅停留于观测层面,缺乏系统的设计和监测研究。鉴于大跨度冰壳结构可容纳游人活动的建筑功能对结构安全性的较高要求,本文从前期设计与后期维护两方面入手,通过结构分析和监测的手段对其安全性进行保障,具有重大意义。针对上述研究背景,本课题主要研究了以下内容:(1)对大跨度冰壳结构的设计方法进行了研究。以复合冰材料单轴压缩试验提供的材性参数,以及外形设计模型提供的几何参数作为数据基础,参考冰壳结构主要受荷情况,在有限元分析软件ANSYS中对设计冰壳结构进行建模计算。参考冰材料的强度准则及自由曲面薄壳结构的受力性能分析方法,考察结构主应力、位移等响应的超限情况,并对结构设计结果进行厚度、形态方面的调整,保证结构安全性及受力合理性。(2)以结构健康监测理论为基础,结合冰壳结构特点,确定了应变、位移、厚度以及环境因素作为冰壳结构服役过程的待监测关键变量。设计了适用于该结构服役过程监测的方法流程,并开发了适用于大跨度冰壳结构服役过程监测的数据采集系统,解决了采集系统低温长期工作、传感设备与冰材料协同工作以及数据精度三个核心问题。(3)利用分析方法及数据采集系统,对国内首个大跨度冰壳结构“雪莲进行了设计与服役期监测。设计确定了壳体厚度、形态等主要参数,并针对结构关键点位移、厚度进行了监测。定性分析了环境气温及日照情况与冰壳结构响应之间的相关性规律,初步得出冰壳结构响应随气温变化呈现“分段式特点。并对数据采集系统进行了改进,提高了数据精度及工作效率。(4)对国内首个气肋式大跨度冰壳结构“冰雪讲堂进行了设计与服役期精细化监测。在“雪莲工作基础上,设计确定了结构薄弱点,并增加了应变数据的高精度采集和分析。从数据层面定量探索了冰壳结构服役过程的响应变化规律及影响因素。最终得出,冰壳结构的安全性监测应当重点关注气温升至-5℃左右时结构响应的变化等结论,为冰壳结构安全性评价的进一步研究提出了方向性指导。