碳纤维索穹顶结构抗连续倒塌性能研究

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碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastics,简称CFRP)与索穹顶相结合后形成碳纤维索穹顶结构,既能充分发挥CFRP材料优越的抗拉性能,又能减轻自重实现更大的跨度。因此碳纤维索穹顶结构具有优异的实际应用价值和科学研究意义。但是目前有关于碳纤维索穹顶抗连续倒塌方面的研究不多,本文主要内容如下:基于索穹顶的找力原理,采用Matlab编制程序来求解结构的自应力模态。同时,在刚度和质量相同的条件下,考虑拉索应力限值和最大位移限值设计了100m的Geiger型和Levy型碳纤维索穹顶结构,采用Ansys进行静力和模态分析,得到了Geiger型和Levy型索穹顶的静动力特性。索穹顶连续倒塌分析的第一步是确定初始失效构件。因此分析比较了国内外用于确定初始失效构件的方法,然后提出了本文用于评估结构抗连续倒塌性能的指标,并对比分析了静力和动力AP法(备用传力路径法,简称AP法)的差异点。基于静力AP法,采用Ansys有限元软件,进行了Geiger型和Levy型索穹顶构件的静力拆除分析,揭示了索穹顶类型﹑拆除位置和荷载工况对构件重要性系数的影响,初步确定各构件对结构抗连续倒塌性能的影响。考虑结构的非线性和动力效应,基于动力AP法,采用Ls-dyna有限元软件,使用等效荷载瞬时卸载法来模拟初始失效构件的拆除,分析比较了拆除不同类型构件后Geiger型和Levy型碳纤维索穹顶的连续倒塌过程。然后,依据重要性系数建立结构的倒塌控制方程。最后对结构各种倒塌模式﹑构件失效顺序和备用路径进行了对比,并验证了静力AP法用于指导连续倒塌非线性动力性分析的可行性。对Geiger型和Levy型碳纤维索穹顶进行参数化分析,所选参数包括:初始预应力、截面面积、阻尼比、失效应变,分析比较了不同参数对索穹顶结构抗连续倒塌性能的影响。最后,根据上述分析结果,对索穹顶结构的抗连续倒塌性能给出设计建议。
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