新型高性能复合冰材料与冰结构研究

Ice structures are derived from nature and have a long history. They performan important role in ice and snow tourism, and keep huge strategic values in the polar development. However, due to plain ice’s low load-carrying capacity, ice structures are always seen as temporary landscape architecture.Systematic and deep research on their structural performances were neglected. This project aims to carry out the research on innovative high-performance ice composite materials and ice structures. As for the level of materials, innovative ice composites will be developed by mixing fibers into plain ices. Subsequently, their constitutive model and strength failure criterion will be established base on the experimental study on short- andlong-term mechanical properties. As for the level of structures, design and construction techniques for long-span ice shell structures will be researched. Form-finding problems of the inflatable membrane formwork and construction precision control problems during the material spraying process will be solved intensively. Considering the shortcomes of the current technique, an insulating-laminated construction method for ice shells will be proposed. Moreover, failure mechanisms of long-span ice shells and non-contact monitoring based structural safety method for them will be studied, in order to establish theoretical foundation for safety usage, maintenance and reinforcement of these structures. Through this research, an integrated technical system of ice composite materials and ice shell structures will be developed, which will provide our country with strong support for the ice-snow industry and future polar development.

冰结构源自天然，历史悠久，不仅在冰雪旅游方面发挥巨大作用，而且在极地开发领域也具有重要战略价值。然而，由于天然冰材料的承载能力偏低，使得冰结构一直被视作为临时性景观建筑，缺乏对其结构性能的系统深入研究。本项目拟从材料和结构两方面入手，开展新型高性能冰材料与冰结构研究。在冰材料方面，通过在冰中掺入纤维研发新型复合冰材料，并对其短期和长期力学性能开展试验研究，建立复合冰材料的本构模型和强度失效准则。在冰结构方面，针对大跨度冰壳结构的设计和建造技术开展研究，重点解决施工充气模板的找形方法和喷射浇筑过程中的成型精度控制问题，还针对现有技术的不足提出一种夹层中空式冰壳施工新方法；此外，还研究大跨度冰壳结构的失效机理，提出基于远程监测的结构安全性评估方法，为冰壳结构的安全使用和维护加固提供保障。通过本项目研究，力争形成完整的复合冰材料与冰壳结构技术体系，为我国的冰雪产业发展和未来极地开发提供有力支撑。

本项目以新型高性能复合冰材料与冰结构为研究对象，通过试验研究、理论分析以及数值模拟等手段解决了其材料性能，结构体系，施工仿真与健康监测等若干问题，明确了大跨度复合冰壳结构可能面临的新问题，研究了复合冰材料的基本性能，提出了大跨度冰壳结构的设计与施工仿真方法，建立了冰壳结构健康监测体系，丰富与发展了现有复合材料理论与空间结构体系，填补了相关研究的空白。项目研究包括以下三部分内容：. （1） 针对复合冰材料的基本力学性能开展了研究工作，为冰壳结构力学分析奠定基础。以纸浆纤维为增强材料制备了高性能复合冰材料，探究了试验标准，在考虑温度和纤维含量等多种工况下，开展了包括单轴压缩、劈裂抗拉以及直接剪切等短期和蠕变、升华等长期力学性能研究，获得了复合冰材料的力学性能指标及变化规律，为大跨度冰壳结构的设计分析提供了有力支撑。. （2）提出了大跨度冰壳结构的设计建造一体化技术，使冰壳结构设计建造更加科学。针对气膜充气属于强非线性、大变形问题，引入向量式有限元，建立了冰壳气膜模板形态控制方法。气膜模板成型后，基于热力学、材料相变等理论，建立了一种定量描述水溶液喷射施工的仿真方法。针对冰材料强烈的温度敏感性的特点，建立了冰壳结构热力耦合分析方法。最后集成各模块，基于Rhino-Grasshopper参数化平台开发了大跨度冰壳结构专用分析系统。. （3）建立了冰材料强度现场检测方法和远程健康监测体系，为结构有效使用和及时维护提供科学依据。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。设计了适用于冰壳结构监测的方法流程，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等核心问题。. 通过本项目研究填补了我国在高性能复合冰材料与冰结构研究的空白，为冰雪产业的发展和未来极地开发奠定了理论基础，完成了既定任务，达到了预期的研究目标。