爆炸冲击荷载作用下钢筋混凝土柱的动态响应分析

论文摘要

在当前和平与发展的时代,恐怖主义也在蔓延,恐怖爆炸活动对国际社会的和平和安宁造成了很大的威胁,无论是在防护结构还是在工业、民用建筑结构中,通常都需要考虑爆炸冲击荷载的作用,研究结构在爆炸冲击荷载作用下的动力响应成为工程领域中十分关注的课题。由于爆炸荷载作用的局部性和作用时间的短暂性,结构构件在爆炸冲击波荷载作用下的响应与地震荷载作用下有明显的区别,而且单个构件的爆炸响应是研究整体结构在强动荷载作用下动态响应的基础,因而研究构件在爆炸荷载作用下的动态响应具有非常重要的理论意义和工程应用价值。本文根据能量守恒原理和结构动力学理论,对一简化的框架柱模型进行分析,得出柱的挠度曲线、柱中理论静位移和柱在爆炸均布荷载作用下的柱中最大动位移和结构体系的振动频率ω。通过简化得到两端固接和一端固接一端简支等特殊约束条件下的柱中理论静位移、最大动位移、振动频率ω和自振周期Tω的计算公式。本文运用大型有限元分析软件LS-DYNA对不同约束条件的柱在爆炸冲击荷载作用下的动态响应进行数值模拟,得出五组柱在两端固接和一端固接一端简支约束条件下的柱中节点的最大位移和其随T Tω变化时的对应关系,从而得出柱在爆炸冲击荷载作用下的动力系数μ,进而绘制出不同约束边界条件的柱在爆炸冲击荷载作用下的位移反应谱曲线。文中运用LS-DYNA对一两端固接的钢筋混凝土方柱在爆炸冲击荷载作用下的动态响应进行了模拟,分别讨论了不同折合距离下钢筋混凝土柱的位移和失效情况,对柱的抗爆性能进行了定性分析。文中对两端固接、一端固接一端简支两种约束条件下柱的位移与压力进行比较,研究了爆炸冲击荷载作用下约束条件对柱的变形的影响。本文对受爆炸冲击荷载作用下的钢筋混凝土柱的动态响应进行了理论分析和数值模拟,得到了一些结论和成果,为结构在爆炸冲击荷载作用下的分析提供了依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的来源及意义
• 1.2 国内外的研究现状
• 1.2.1 爆炸应力波的传播
• 1.2.2 材料的动态本构关系
• 1.2.3 结构及构件的动态响应
• 1.3 本文的主要研究内容
• 第二章 基本概念与理论
• 2.1 爆炸冲击荷载的基本理论
• 2.1.1 爆炸的定义
• 2.1.2 爆炸荷载的分类
• 2.1.3 爆炸冲击波的形成和传播
• 2.1.4 爆炸冲击波的基本特性
• 2.1.5 结构物的抗爆安全性
• 2.2 混凝土材料的动态本构关系
• 2.2.1 混凝土动态本构关系的研究背景
• 2.2.2 混凝土材料的应变率效应
• 2.2.3 材料动态本构关系的选用及参数确定
• 2.3 本章小结
• 第三章 爆炸冲击荷载作用下柱的理论分析
• 3.1 能量守恒原理
• 3.2 计算模型的简化分析
• 3.2.1 爆炸荷载的简化
• 3.2.2 计算模型的简化
• 3.3 爆炸荷载作用下能量解析法的应用
• 3.3.1 简化模型的柱端刚度约束力
• 3.3.2 爆炸荷载作用下柱的挠度曲线
• 3.3.3 柱的弹性应变能
• 3.3.4 爆炸荷载的做功
• 3.3.5 结构体系的应变能
• 3.3.6 柱中在动荷载作用下的最大位移
• 3.4 结构体系的自振周期
• 3.4.1 瑞雷法原理
• 3.4.2 结构体系的自振周期
• 3.5 爆炸冲击荷载作用下的动力系数
• 3.6 本章小节
• 第四章 钢筋混凝土柱在爆炸冲击荷载作用下的数值模拟
• 4.1 LS-DYNA 简介
• 4.1.1 LS-DYNA 的应用范围
• 4.1.2 LS-DYNA 一般分析过程
• 4.1.3 LS-DYNA 数值模拟的基本原理
• 4.2 爆炸冲击荷载作用下的不同约束条件的柱的动力系数研究
• 4.2.1 计算模型的几何、材料参数的选取
• 4.2.2 爆炸荷载的压力峰值超压和持续时间
• 4.2.3 爆炸荷载作用下柱中的最大位移
• 4.2.4 爆炸荷载作用下不同约束条件的柱的动力系数
• 4.3 钢筋混凝土柱在爆炸冲击荷载作用下的数值模拟
• 4.3.1 关于钢筋混凝土有限元模型
• 4.3.2 定义混凝土和钢筋的单元类型
• 4.3.3 定义材料属性
• 4.3.4 创建几何实体模型
• 4.3.5 单元的网格划分
• 4.3.6 边界约束条件及荷载的施加
• 4.3.7 求解
• 4.4 数值模拟结果及分析
• 4.4.1 折合距离Z 对有限元模拟结果的影响
• 4.4.2 约束条件对有限元模拟结果的影响
• 4.5 本章小结
• 结论与展望
• 1. 本文结论
• 2. 今后工作展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果
• 获奖情况
• 致谢