爆炸荷载作用下钢管混凝土柱的动力响应研究

论文摘要

近年来,国际上的爆炸恐怖活动泛滥,已对国际社会和人民生命财产造成严重威胁。对于重要的建筑物和防护结构,通常都要考虑爆炸冲击荷载的作用,因此研究工程结构在爆炸冲击荷载作用下的动力响应已成为工程界的一个重要课题。钢管混凝土具有承载力高、塑性和韧性好以及制作和施工方便等优点,已被广泛地应用于工程结构中。目前对钢管混凝土构件在准静态荷载作用下的力学性能已有很多研究,但是对于其在爆炸、冲击和侵彻等偶然荷载作用下的性能研究较少。因此,研究钢管混凝土柱在爆炸冲击荷载作用下的动力响应具有非常重要的意义。本文采用理论分析和数值模拟相结合的方法,对方钢管混凝土柱在表面爆炸荷载作用下的动态响应进行了研究。首先采用钢管混凝土统一理论和理想刚塑性材料模型,将方钢管混凝土柱简化为等效单自由度体系,利用单自由度的分析方法推导了该体系的动力响应最大位移公式。然后采用推导的理论公式和有限元软件分别计算了不同折合距离时柱的最大动力响应位移,并进行了相互验证。考虑到框架柱的实际工作情况,进一步对构件在表面爆炸荷载作用下的动态响应进行了数值分析,结果表明:随着折合距离的增大,柱子的整体变形逐渐减小,内填混凝土和外包钢管的破坏逐渐减小。在表面爆炸荷载作用下,当折合距离较小时,内填混凝土发生了严重破坏,而钢管由于自身刚度较大、强度较高、延性好,能吸收大部分的能量,另外内填混凝土破坏时向四周膨胀可以限制钢管发生屈曲,所以钢管只在柱背压面中部和迎压面两端的一小部分区域发生了破坏,不至于柱子在受高压、瞬时的荷载时发生瞬间坍塌,因此钢管混凝土柱在防护结构中具有重要的应用价值。通过分析方钢管混凝土柱在不同折合距离下的侧向位移和材料的失效情况,可以得出当折合距离约为2.0时,爆炸荷载对方钢管混凝土柱的影响可以忽略不计。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 研究现状
• 1.2.1 基本概念界定
• 1.2.2 钢管混凝土构件在爆炸冲击荷载作用下的性能研究现状
• 1.2.3 存在的问题
• 1.3 本文的研究内容和研究方法
• 1.3.1 本文的研究内容
• 1.3.2 研究方法
• 第二章 基本理论及钢管混凝土柱动力响应的理论分析
• 2.1 爆炸冲击荷载的基本概念
• 2.1.1 爆炸冲击现象
• 2.1.2 爆炸荷载的分类
• 2.1.3 表面爆炸荷载
• 2.1.4 爆炸冲击荷载的简化
• 2.2 结构构件抗爆设计原则及分析方法
• 2.3 等效单自由度分析方法
• 2.3.1 等效单自由度体系的基本理论
• 2.3.2 等效单自由度体系的推导
• 2.4 爆炸冲击荷载作用下钢管混凝土柱动力响应的理论分析
• 2.4.1 钢管混凝土统一理论
• 2.4.2 计算模型
• 2.4.3 动力响应最大位移公式
• 2.4.4 钢管混凝土的塑性极限弯矩
• 2.5 本章小结
• 第三章 有限元模型的建立及对比分析
• 3.1 数值模拟简介
• 3.1.1 有限元法概述
• 3.1.2 有限元程序ANSYS/LS-DYNA
• 3.1.3 ANSYS/LS-DYNA 的算法
• 3.1.4 单点高斯积分和沙漏控制
• 3.1.5 ANSYS/LS-DYNA 的一般分析过程
• 3.2 爆炸荷载作用下钢管混凝土柱的有限元模型
• 3.2.1 分析模型
• 3.2.2 单元选择
• 3.2.3 材料模型
• 3.2.4 网格划分
• 3.2.5 爆炸荷载及加载
• 3.2.6 求解设置
• 3.3 有限元计算结果与理论值的比较
• 3.4 本章小结
• 第四章 爆炸荷载作用下钢管混凝土柱的有限元分析
• 4.1 材料的应变率效应
• 4.2 数值模拟
• 4.2.1 有限元模型的建立
• 4.2.2 材料模型
• 4.2.3 爆炸荷载模型
• 4.2.4 接触定义
• 4.3 数值模拟结果分析
• 4.3.1 折合距离为0.7 的结果
• 4.3.2 折合距离为1.0 的结果
• 4.3.3 折合距离为2.0 的结果
• 4.3.4 不同折合距离时关键节点的位移时程比较
• 4.4 本章小结
• 结论与展望
• 一、结论
• 二、展望
• 参考文献
• 攻读硕士期间的研究成果
• 致谢