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大跨度冰壳结构设计与监测方法研究

大跨度冰壳结构设计与监测方法研究

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作者：陈博轩哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

关键词：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

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复合冰材料升华性能及其对冰壳受力性能影响研究

复合冰材料升华性能及其对冰壳受力性能影响研究

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作者：陈家丰哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

大跨度复合冰壳结构作为近些年发展起来的一种新型冰雪结构,从建造材料、建筑造型和建造技术多个方面拓展了传统冰雪结构的边界,并具有薄壳结构空间受力合理、节约材料等优点,因而在寒地冰雪产业和人们日益关注的极地开发等领域具有很... 详细信息

大跨度复合冰壳结构作为近些年发展起来的一种新型冰雪结构,从建造材料、建筑造型和建造技术多个方面拓展了传统冰雪结构的边界,并具有薄壳结构空间受力合理、节约材料等优点,因而在寒地冰雪产业和人们日益关注的极地开发等领域具有很好的发展潜力。在室外低温下,大跨度复合冰壳结构表面时刻发生的冰升华作用,会导致结构厚度逐渐变薄和分布不均匀,甚至使结构出现穿孔破坏,严重影响了冰壳结构的使用安全和长期力学性能。随着复合冰壳结构逐渐向着更大跨度的方向发展,这种升华作用的影响将变得更为突出。为掌握大跨度复合冰壳结构表面升华的规律和分布情况,从而为今后的大跨度复合冰壳结构的设计和维护工作提供必要支持,本文结合理论分析、试验观测和数值模拟等多种研究手段,对冰壳结构表面升华的模拟方法及其应用展开研究。主要包括以下几方面内容:(1)系统开展了复合冰材料的升华性能试验研究。以纯冰在真空条件下的HK方程为基础,通过进行室内单因素控制试验,研究并建立了大气压强、风速和掺合料对冰升华的影响模式。通过室外自然环境下的升华试验,对室内试验成果进行了补充、验证和修正。通过数值模拟的手段,建立了太阳辐射强度对冰升华的影响模式。最终,提出了一种适用于2%纸纤维复合冰的升华速率计算模型。(2)建立了冰壳结构表面升华的数值模拟方法。以所提出的2%纸纤维复合冰的升华速率计算模型为算法基础,在统一的平台上整合了现有的太阳辐射模拟技术和CFD模拟技术,并进行编程开发,最终建立了一种复合冰壳结构表面升华分布的数值模拟方法。(3)研究了升华作用对冰壳结构受力性能的影响。基于建立的升华数值模拟方法,对两种典型的复合冰壳结构进行相应的升华模拟、有限元建模以及力学性能分析,探究了升华对结构静力性能和稳定性能的影响。

关键词：大跨度冰壳结构冰升华复合冰材料升华试验冰壳升华模拟结构分析

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