初始参数影响多层双弯曲混凝土壳屋顶

文摘

双弯壳屋顶结构在民用建筑被广泛研究和应用,因为他们的抗压能力。作为一个空间结构,它应该增加空间,减少壳的厚度,并创建架构建设。特别是,需要强化修复壳表面,形成多层弯曲壳屋顶结构。在这种多层弯曲壳屋顶,有必要研究层厚度的影响,影响钢纤维混凝土层的位置,混凝土和钢纤维的影响内容中包含状态的应力、应变和建立关系,load-vertical位移和压力在x和y方向上壳的调查情况。介绍一个ANSYS数值模拟研究相关的应力、应变状态的双层双弯曲混凝土壳屋顶等初始参数被修改层的厚度,钢纤维混凝土层的位置结构(钢纤维混凝土层放置高于和低于普通混凝土层),以及钢纤维混凝土外壳中包含的内容3000×3000毫米的大小,由ANSYS模拟实验后进行这曲壳屋顶;实验和模拟研究的结果相互验证了。研究结果表明,钢纤维混凝土的厚度层放置低于普通混凝土层,钢纤维混凝土中包含的百分比是2%,和承载力的弯曲的壳是最优的。

1。介绍

弗拉索夫奠定了基础,在他的研究壳类型,提出了壳理论,由薄壳。这个壳理论,弗拉索夫证明这些壳主要是压缩或拉伸,和弯矩壳牌在计算非常小,可以忽略。弗拉索夫[1)建立了一个系统的两个方程和两个应力和位移(和 )功能与负载分布在外壳表面。

自那以后,大量的壳的研究已经发生,包括壳分析与不同的曲率或智能纳米复合材料圆柱壳的地震响应,并使用HDQ-Newmark输送流体的方法(2),柱面和球面网壳3,4),混凝土穹顶结构的strain-stress状态通过ANSYS模拟(5),和双弯壳广场和矩形平面近似法研究了;该方法开发了有限差分法的基础上,研究和开发的Gabbasov。在1980年代,这种方法的本质是解决一般的二阶微分方程。为了解决这个一般微分方程,Gabbasov使用网格方法,从而建立点之间的关系;从那里,结果从通用微分方程转化为线性方程组为每个网格点(6]。

此外,壳结构由许多作者研究了实验方法,有限元法(7,8),通过Sap2000软件(9),通过数值模拟方法,ANSYS,伞壳牌在振动分析10];许多作者研究了各种参数如修复和加强椭圆抛物面型钢筋混凝土壳(11],R-Funicularity [12),壳的屈曲行为的预测13壳牌基金会),纤维的混凝土极限载荷作用下(14),经典壳理论为不稳定分析的混凝土管道(15),承载力最初的不完美的网壳(16),优化高性能混凝土壳(17),钢壳结构的稳定性(18),包括大规模的shell (19),和薄壳结构的几何非线性行为的调查20.]。通过分析研究,研究分析了应力、应变状态和被认为是影响壳的参数。然而,这些研究只研究了单层壳。

根据研究曲面壳,这些贝壳是在使用过程中损坏,需要修理,或者需要防水、耐热,或加强这些壳增加承载力,增加建筑的生命,所以他们需要添加一个或多个层高于或低于现有的壳层。Ambartsumyan [21还建议多层壳假说。许多研究已经完成等各种类型的壳圆柱壳,球壳,双弯壳,和椭圆抛物面壳使用的分析方法、数值方法、有限元方法、近似方法和其他方法基于Ambartsumyan夹层壳理论。Ambartsumyan假定层被称为等效层根据他们的弹性模量,如layerwise叠层理论双重弯壳(22),分析叠层双重弯壳在静态和动态条件下(23),弯曲和复合材料正交异性层合壳的自由振动分析24),多层壳单元的剪力墙打开看到[25),三层浅壳的应力-应变状态26,网配筋夹层混凝土壳屋顶(27]。许多研究都使用了多层壳单元有限元(FE)模型的非线性分析方法的非线性研究[28]。多层壳结构也是一个适用性分析多层壳结构体系建设、测试理论方法与多层结构,测试了上述理论方法(29日]。

在分析多层双弯壳屋顶的结构,许多研究使用的分析方法或数值方法来解决这些壳弯曲问题。然而,使用这些弯曲的贝壳在民用建筑中,外壳的材料必须进行分析。目前,钢纤维混凝土能够提高承载力和减少裂缝和具有良好的耐冲击;此外,钢纤维混凝土还可以工作得很好当钢纤维混凝土位于紧张的地区。在这些钢纤维混凝土材料的研究,许多研究已经使用在弯曲等多层结构双层或三层梁。普通混凝土和钢纤维混凝土的性能在这些叠层梁很合适当修理损坏的混凝土梁。这些研究进行了实验和ANSYS模拟多层弯曲梁(30.,31日]。然而,还有其他的nanosilica钢纤维混凝土材料的研究也可以应用在这个双壳弯曲实验和仿真(32,33]。

最近,这个多层双弯壳屋顶是进一步研究在分析钢纤维混凝土材料的非线性和混凝土钢纤维含量的变化通过ANSYS。研究确定壳中的应力应变状态和两个不同的混凝土层之间的滑动能力shell (34]。然而,外壳材料必须进行实验分析和ANSYS模拟的叠层双重弯曲的贝壳。因为外壳的抗压能力和强化需要修复壳表面,有必要研究层厚度的影响,影响钢纤维混凝土层的位置和所包含内容的影响钢纤维混凝土的应力应变状态,建立关系,load-vertical位移和压力在x和y方向上壳的调查情况。介绍一个ANSYS数值模拟研究相关的应力、应变状态的双层双弯曲混凝土壳屋顶等初始参数被修改层的厚度,钢纤维混凝土层的位置(钢纤维混凝土层(拓扑结构)高于和低于普通混凝土层(NCL)),和钢纤维混凝土外壳中包含的内容3000×3000毫米的大小,由ANSYS模拟实验后进行这曲壳屋顶;实验和模拟研究的结果相互验证了。

2。材料和方法

2.1。弗拉索夫方程在计算壳屋顶结构

弗拉索夫[1)建立了一个系统的两个方程和两个应力和位移(和 )功能与负载分布在壳表面(方程(1)): 在哪里壳层厚度,E弹性模量,k₁和k₂主要在两个方向曲率,D壳牌的抗弯刚度。

与上述假设,双壳弯曲矩形计划,Ambartsumyan [21)引入了一个方程组解决多层双弯曲混凝土外壳的问题两个函数找到垂直加载组件的情况下z(方程(2)): 在哪里 和 参数,取决于壳的几何尺寸。

2.2。双层双弯曲混凝土壳屋顶建成

前调查初始参数影响壳的应力应变状态,本研究进行了构建双层双弯曲这个壳壳模型,进行实验。ANSYS仿真和实验结构设计模型是紧随其后的是TCVN 5574:2018 [35),表中给出1和2。

双弯壳表面的方程方程所示(3): 在哪里f是壳牌在最高点的高度, ; 和 是两个方向的高度;一个和b一半的长度壳牌的矩形边缘的计划。

双层弧形混凝土壳屋顶计划大小为3000×3000毫米,固定联合4垂直弯曲梁,和一个常数横截面积的4列上支持150×200毫米截面为300×300×1300毫米,如图1。

2.3。使双层双弯曲混凝土壳屋顶

外壳制造过程包括3个步骤:使模板根据双弯外壳的形状(方程(3)和图1(一)),第一层的钢纤维混凝土倒,然后是普通混凝土层倒最后,如表所示1和图2。

2.4。安装的设备和壳牌的实验

应变仪的安装图(张力计)测量顶部和底部表面和垂直位移测量装置(线性)测量底部表面的壳。因为测量装置的影响,测量位置的数量安排如图3(一个)和3 (b)。

条件下使用此曲壳屋顶的建筑物在越南,负载作用于外壳包括壳本身上的负载和活载修复壳,所以总有效负载5 kN / m²或45 kN荷载作用于壳表面(壳表面面积:9米²)。壳上的总负载代理是5 kN / m²,根据沙子或小的混凝土块的重量,它被分为7水平在这个研究。

荷载作用于壳由7个级别:一级= 1.63 kN / m²,2级= 2.17 kN / m²,3级= 2.72 kN / m²,四级= 3.26 kN / m²,5级= 4.35 kN / m²,6级= 5 kN / m²,7级= 5.44 kN / m²。在第一个4水平,负载应用于壳由小型砂混凝土块,如图3 (c)。所有测量设备在每个水平与计算机,如图3 (d)。

此外,在浇注混凝土时,一层一层地的过程中,有必要检查层的厚度,实验后,钻孔检查实际的层,如图3 (e)。

2.5。双层双弯曲混凝土有限元模型在ANSYS壳屋顶

2.5.1。元素和模型

在通过ANSYS数值模拟,本研究使用solid65单元模拟混凝土;这是一个8-node元素和容易分析材料非线性,可以模拟钢纤维在混凝土混凝土系数;这个系数应用于混凝土根据分布式钢纤维的体积含量。在分析钢纤维混凝土,ANSYS还要求选择一个模型。因为混凝土中的钢纤维分布,本研究选择涂抹ANSYS模型在三个模型,涂抹,嵌入式,和离散模型,如图4。

根据周边的壳边界,有钢筋(数字1 (b)和1 (c)),所以BEAM188元素被用于仿真分析,这是2个节点组成的一个元素。

混凝土是一种脆性材料,因此必须选择一个混凝土开裂模型的分析。有两种混凝土开裂模型,离散和抹黑,但在混凝土钢纤维分布,所以在这项研究中,模糊模型被选中,如图5。

模拟与两种不同的材料,普通混凝土(NC)和钢纤维混凝土(证监会),三种模式,连续模型、接口模型和薄层模型。然而,在这个研究中,数控钢纤维混凝土,只有在互相接触,所以界面模型被选中,如图6。

2.5.2。材料特性

在两种材料的压缩结果,证监会和数控实验(图7),这两种混凝土的应力-应变关系与Kachlakev的模型是一致的。因此,在这项研究中,Kachlakev的模型中使用以下模型:Hognestad, Todeschini,肯特和公园,Kachlakev。

仿真,故障也建立了表面模型,两种混凝土的研究和选择的solid65元素;威廉的失效准则和Warnke是适当的,如图8。

壳牌和啮合:啮合元素网格的节点必须在一起;如果网太厚,计算时间将是缓慢的。薄壳结构,除以空间四面体网格形状,元素大小是一半混凝土薄壳层的厚度,如图9(一个)。

固定杆与垂直弯曲梁壳:应用负载分布在顶部表面的壳在四面体网格的节点,压缩力P外壳表面均匀分布,如图9 (b)。

3所示。结果与讨论

3.1。评价研究结果

壳屋顶的实验结果与ANSYS和Sap2000软件的垂直位移和应力值;总有效载荷是5 kN / m²。(我)壳的荷载和垂直位移关系方法如图10。讨论的结果。研究结果在图10表明,ANSYS和Sap2000(这是数值方法)类似,所以当这些数值方法与实验方法相比,附近有一个不同的外壳顶部边界和壳。附近有一个大的垂直位移值壳边界,但较小的垂直位移值的顶部外壳,和价值之间的区别非常小(0.05毫米)的方法。因此,这三种方法的垂直位移值是相似的。(2)负载测试和压力关系如图壳的方法11。讨论的结果。在图11有限元分析软件Sap2000方法,强调的价值是相似的。然而,实验方法的值改变的位置(x= 1.2美元)的压力和位置(x= 0.6美元)的压力 ,与有限元分析软件Sap2000方法相比从15到20 N /厘米²。这些值可能会影响到测量设备,材料均匀性,等等;鉴于这种实验和数值方法的区别,还需要进一步的研究,但这种变化非常小,可以接受。

本次试验研究的结果表明,该多层双弯壳屋顶从0.6米到1.2米位置往往是受到边界条件的影响,所以它也需要进一步研究这些边界条件的影响。

使用这个壳屋顶在越南使用的条件下,裂纹没有出现在壳,有必要继续研究在ANSYS在较大的负载值。

3.2。调查每一层厚度的影响

在实验研究和模拟通过ANSYS拓扑结构(h₁),厚度2厘米,NCL (h₂),厚度3厘米,load-vertical位移和荷载应力的关系x和y方向已建成(情况1)。调查的影响在壳层厚度对应力-应变状态,本研究继续2调查情况下,例2和例3,通过ANSYS,如表所示3。

讨论的结果(我)案例1。与外壳表面荷载作用的条件在越南使用5 kN / m²,外壳没有裂缝。实验上很难进一步研究壳,和ANSYS模拟壳在较大的负载水平。在时期裂缝出现在混凝土,P = 14 kN / m²、压力133.8 N /厘米²,第一次在证监会层裂缝出现和沿壳边界垂直位移的外壳的顶部(图0.17毫米12)。(2)案例2。同样,在这段时间出现在混凝土裂缝时,P = 12.5 kN / m²、压力139 N /厘米²,第一次在证监会层裂缝出现和沿壳边界垂直位移的外壳的顶部(图0.187毫米13)。(3)案例3。同样,在这段时间出现在混凝土裂缝时,P = 17.5 kN / m²、压力127.6 N /厘米²第一个裂缝出现在香港证监会层和沿壳边界垂直位移的外壳的顶部0.207毫米

垂直位移和应力的结果在3调查情况如图14。

垂直位移和应力值在表中4。

讨论的结果。在图14和表4,(我)例1和例3:总厚度等于但拓扑结构较大,垂直位移和应力更小的3调查案件。在图(14日)拓扑结构的厚度增加,垂直位移减少;也就是说,拓扑结构的厚度越大,壳牌工作越好。(2)混凝土裂缝出现的阶段:在案例3中,底层拓扑结构是厚,所以裂缝出现的更慢。2(最小厚度),比在其他情况下早出现裂缝。也就是说,底层拓扑结构会抵制壳裂缝的出现当负载增加。(3)研究结果表明,裂缝的三个研究案例是在下面的拓扑结构。在壳边界,下层混凝土的拉伸,而上层的普通混凝土抗压。

3.3。研究拓扑结构的位置的影响

NCL下使用的拓扑结构进行了研究。NCL的拓扑结构是把在其他情况下(如当固定壳屋顶的表面)。本研究进行了两个实验,看看拓扑结构的位置影响壳的应力和应变状态;拓扑结构是位于NCL上方和下方,在壳层的厚度是相同的,如表所示5。

垂直位移和应力的结果如图所示15。

垂直位移和应力值在表中6。

讨论的结果。

在图15和表6,具体开始显示裂缝;在例4中,负载P= 11.5 kN / m²压力是102.7 N /厘米²,第一个裂缝出现在壳沿边界的NCL越低,和最大垂直位移的顶部外壳为0.174毫米,而在第二种情况,它是P= 12.5 kN / m²;这意味着下面的拓扑结构NCL将晚于它之上,在这两种情况下2和4,下面的混凝土层将首先被破解。

当拓扑结构位于壳的压缩区,压力壳边界附近是降低15%,压力是减少了52%。这项研究的结果表明,较低的层是抗拉层,上层是压缩。因此,加强拓扑结构位于拉伸区域上方时将会更加有效。

3.4。调查的影响钢纤维混凝土中包含的百分比

在表3,钢纤维混凝土中包含的百分比是2%,这是改变所有4 0%和3%调查案件。案例1。本研究调查的变化比例的钢纤维混凝土中,0%,2%,和3%,如图16:讨论的结果。运动方向的壳层:上层取代向中心,下层是远离中心的壳壳时负载下(图16 (b))。在图16 (c)垂直位移的变化值为0.05毫米,和这个值非常小,被认为是相同的。压力x和y方向(图16 (d),16 (e)):这些压力是相同的钢纤维混凝土0%和3%的比例和不同9 N /厘米²13 N /厘米²当钢纤维的百分比是2%。不使用这个比例的钢纤维或使用钢纤维混凝土的比例是低效的,适得其反,即3%钢纤维已超过比例的钢纤维混凝土的极限(35]。案例2。本研究主要探讨钢纤维混凝土的比例的变化,0%,2%,和3%,如图17:讨论的结果。在图17,类似于案例1、垂直位移和压力和以2%的比例钢纤维是最优比例的研究钢纤维的百分比。垂直位移的钢纤维混凝土的比例是2%,从0%到3%的0.05毫米,这是非常小的,被认为是不受影响。也有方向的应力差从10到13 N /厘米²壳边界附近的位置和外壳的顶部。这两个案例分析(例1和例2)表明,边界附近的位置和外壳的顶部的位置敏感负载。在设计这个shell时,要注意这两个位置。案例3。本研究主要探讨钢纤维混凝土的比例的变化,0%,2%,和3%,如图18。讨论的结果。在数据16- - - - - -18,所有3例(Case1,例2和例3)最大的垂直位移值的顶部外壳,和不同的是0.9毫米。强调和也是最高的顶部的壳从29到39 N /厘米吗²。在钢纤维混凝土的比例,2%钢纤维内容仍在所有调查的情况下最优的。边界附近的位置和外壳的顶部位置非常敏感负载。例4。摘要本研究主要探讨钢纤维混凝土的比例,0%,2%,和3%,如图19。讨论的结果。在图19的垂直位移shell类似于上面的三个案例中,拓扑结构之上NCL。然而,压力值和开始改变的方向增加应力值和应力的顶部外壳从39个增加到50 N /厘米²。钢纤维混凝土的比例有2%仍在所有情况下最优的;然而,压力之间的差异2%,0%,3%是12到20 N /厘米²。4例,调查表明,上述拓扑结构将使壳增加方向的应力值。

4所示。结论

这项研究的结果导致下面的结论:(1)研究成果的垂直位移和应力和在所有3方法、实验、ANSYS模拟,与Sap2000相似的形状:然而,实验结果受到边界条件的影响,材料均匀性,等等,还需要进一步的研究从0.6米到1.2米的位置来澄清这些差值。然而,这些差值不大,可以接受。(2)层的厚度的影响表明,拓扑结构的厚度增加,和垂直位移降低;也就是说,拓扑结构的厚度越大,壳牌工作越好。壳边界,下层混凝土的拉伸,而数控的上层是压缩。(3)拓扑结构的位置的影响在shell中:第一个裂缝出现在壳沿边界的NCL越低,和下面的拓扑结构NCL将晚于它之上,在这两种情况下2和4,下面的混凝土层将首先被破解。因此,加强拓扑结构位于拉伸区域上方时将会更加有效。(4)钢纤维混凝土的百分比的影响:不使用这个比例的钢纤维,或者使用如此多的钢纤维混凝土的百分比是低效的,适得其反。在钢纤维混凝土的比例,2%钢纤维内容仍在所有调查的情况下最优的。边界附近的位置和外壳的顶部位置非常敏感负载。4例,调查表明,上述拓扑结构将使壳增加方向的应力值。

缩写

菲:	有限元
NC:	普通混凝土
NCL:	普通混凝土层
证监会:	钢纤维混凝土
拓扑结构:	钢纤维混凝土层。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

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