钢管及约束钢管混凝土短柱抗冲击性能研究

论文摘要

钢管混凝土结-构由于具有一系列优越性能,目前在高层和超高层建筑中越来越多地被应用,然而对钢管混凝土抗冲击性能的研究还处于初步摸索阶段。近年来,建筑结构受冲击破坏的事件频繁发生。因此,对钢管混凝土结构的抗冲击性能研究变得十分必要。本文以钢管混凝土、约束钢管混凝土短柱为研究对象,对其在落锤冲击作用下的动力响应与破坏特征进行了试验和数值模拟两方面的研究,以全面了解构件在冲击荷载作用下的基本性能及影响因素。首先,本文对两种钢管壁厚、两种碳纤维层数的钢管混凝土及约束钢管混凝土短柱进行了一系列高度的轴向冲击试验,测得了冲击力时程曲线、试件轴向变形时程曲线、钢管表面各测点纵向、环向应变时程曲线及试件残余变形,并获得了试件最终变形形态,且用高速摄像仪全程记录了试件的破坏过程。在试验结果汇总的基础上,得出了平均轴向残余应变与冲击能量的关系。通过对比试件最终变形形态及核心混凝土的破坏形态,分析试件发生破坏的特征。讨论了钢管壁厚、冲击能量及碳纤维约束对试件最大冲击力、轴向变形及钢管应变的影响。基于试验结果,提出了计算最大冲击力及平均轴向残余应变的简化公式。其次,利用通用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA对试验进行数值模拟。将模拟得到的结果与试验结果相对比,发现两者能较好吻合,验证了模拟结果,也指出试验中存在的不足之处,并探讨了冲击过程中系统能量的变化规律及各种材料吸收能量的情况。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 插图索引
• 附表索引
• 第1章 绪论
• 1.1 钢管混凝土结构概述
• 1.1.1 钢管混凝土简介与研究发展
• 1.1.2 约束钢管混凝土特点
• 1.2 钢管混凝土抗冲击研究背景与意义
• 1.3 相关内容研究现状
• 1.3.1 结构冲击研究方法
• 1.3.2 混凝土及钢材动态力学性能研究
• 1.3.3 钢管及约束钢管混凝土抗冲击性能研究
• 1.4 本文的主要内容
• 第2章 钢管及约束钢管混凝土相关静力实验
• 2.1 材性实验
• 2.1.1 钢材
• 2.1.2 混凝土
• 2.1.3 碳纤维
• 2.2 钢管混凝土短柱静力试验
• 2.2.1 试验概况
• 2.2.2 试验结果
• 2.3 本章小结
• 第3章 钢管及约束钢管混凝土短柱落锤冲击试验
• 3.1 试件设计与制作
• 3.2 试验设备
• 3.2.1 落锤实验机
• 3.2.2 量测系统
• 3.3 试验的量测内容与实施
• 3.4 试验结果讨论与分析
• 3.4.1 试验结果汇总
• 3.4.2 冲击破坏过程
• 3.4.3 试件变形描述
• 3.4.4 混凝土破坏形态
• 3.4.5 冲击力时程曲线
• 3.4.6 轴向变形时程曲线
• 3.4.7 应变时程曲线
• 3.4.8 最大冲击力与静承载力之比
• 3.4.9 冲击能量与轴向残余变形之间的关系
• 3.5 本章小结
• 第4章 落锤实验的数值模拟
• 4.1 有限元程序介绍
• 4.1.1 ANSYS/LS-DYNA程序介绍
• 4.1.2 求解的基本理论
• 4.1.3 大变形动力学基本方程与数值计算方法
• 4.1.4 接触碰撞数值计算方法
• 4.1.5 LS-DYNA程序显式积分算法
• 4.1.6 碰撞仿真分析的影响因素
• 4.2 材料模型的选取
• 4.2.1 钢管材料模型
• 4.2.2 混凝土材料模型
• 4.2.3 其它材料模型
• 4.3 有限元模型的建立
• 4.3.1 单元类型的选取
• 4.3.2 几何建模及网格划分
• 4.3.3 界面接触的定义
• 4.3.4 边界条件及初始速度的定义
• 4.4 数值模拟结果与分析
• 4.4.1 锤头冲击力时程曲线
• 4.4.2 试件轴向变形
• 4.4.3 钢管应变时程曲线
• 4.4.4 钢管壁厚的影响
• 4.4.5 碳纤维约束的影响
• 4.4.6 能量变化的模拟
• 4.5 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录