论文标题：Numerical Analysis of Textile Reinforced Concrete Shells: Force Interaction and Failure Types

论文链接：https://doi.org/10.3390/civileng5010012

期刊名：CivilEng

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/civileng

在传统的钢筋混凝土建筑中，结构构件通常是实心的，内外几何形状较为单一。这种结构方式未能充分利用混凝土和钢筋的材料特性，导致在一些区域材料被过度使用，而在其他区域则未被充分利用。为解决这一问题，德国研究基金会资助了联合研究项目“碳纤维增强混凝土结构的设计策略——一种新的建筑方法”，旨在开发一种通用的设计策略，以充分利用碳纤维增强混凝土 (CRC) 的优势。来自德累斯顿工业大学Iurii Vakaliuk博士及其团队在CivilEng 期刊发表了文章，探讨纺织增强混凝土壳体结构的力的相互作用和破坏类型，以优化其结构性能。

交叉拱形结构 (左) 和直线折叠结构 (右)

研究过程与结果

本文通过数值分析方法，研究了纺织增强混凝土 (TRC) 壳体结构的力的相互作用和破坏类型。作者开发了一种基于Grasshopper 3D和Rhino 3D的参数化多目标进化工具 (MOET)，用于生成和分析多种可能的设计方案。这些设计方案通过有限元方法 (FEM) 进行分析，使用RFEM软件进行计算。研究中考虑了多种几何参数和边界条件，包括单向和双向的内部膜结构，以及不同的跨度和支撑方式。

两种结构类型的详细视图，左：单向取向；右：双向取向

研究结果表明，TRC壳体结构的力的相互作用和破坏类型受到多种因素的影响，包括几何形状、跨度、支撑条件和材料特性。通过m-n图分析，研究团队评估了结构的极限承载能力，并提出了评估结构利用率 (UR) 的方法。结果显示，不同几何配置的TRC壳体结构在极限承载能力和破坏模式上存在显著差异。例如，具有双向膜结构的G2.2方案在四边支撑条件下表现出更高的结构效率，其最大承载能力达到324.0 kN，而单向膜结构的G1.0方案在1.8米跨度下最大承载能力为172.8 kN。此外，研究还发现，随着跨度的增加，结构的承载能力降低，而中跨挠度显著增加。例如，6.0米跨度的G1.2方案最大挠度达到200.0 mm，远高于1.8米跨度的G1.0方案的24.7 mm。

在数值分析中，作者还处理了极端值问题，提出了通过k因子限制极端值的方法。通过对比不同k值下的UR变化，作者发现k值为0.5时，UR的变化最为稳定，能够合理反映结构的极限状态。这一发现为后续的实验验证和设计优化提供了重要依据。

研究总结

本文通过数值分析方法，详细研究了纺织增强混凝土 (TRC) 壳体结构的力的相互作用和破坏类型。研究结果表明，TRC壳体结构的性能受到几何形状、跨度、支撑条件和材料特性等多方面因素的影响。通过m-n图和利用率 (UR) 的评估方法，研究团队能够有效预测结构的极限承载能力和破坏模式。这些发现为优化TRC壳体结构的设计提供了理论依据。未来的研究将通过实验室测试验证数值分析结果，并进一步探索不同几何配置和材料组合下的结构性能，以实现更高效、更环保的建筑结构设计。

CivilEng 期刊介绍

主编：Angelo Luongo, University of L’Aquila, Italy

期刊专注于土木工程领域的最新研究进展，研究主题包括但不限于：结构工程、地震工程、建筑材料、建筑施工管理、建筑信息化、风险管理、交通工程、水资源与海岸工程等。期刊目前已被Scopus、ESCI (Web of Science)、Ei Compendex等数据库收录。