钢板—支撑钢筋—聚氨酯复合材料结构的性能及其在地下防护工程中的应用研究

论文摘要

根据国际研究动态,随着新材料和新结构不断地涌现与应用,针对我国未来防护工程建设（特别是高原高寒地区）对适应环境条件的新材料与新结构的迫切需要,研究和开发了钢板-支撑钢筋-聚氨酯泡沫三种不同材料复合而成的复合材料结构,通过系统的抗静载、动载力学性能试验、野外化爆试验及数值模拟,研究了这种新型复合材料结构的力学性能,提出了简化力学分析模型,同时研究了用该种复合材料结构制成的箱型浅埋工事在化爆作用下的受力性能,进而讨论了具体设计和应用施工的方法步骤,为这种结构材料的具体应用提供了基础。根据新材料的研究应用,提出钢板-支撑钢筋-聚氨酯泡沫复合材料结构及其复合成型工艺。复合结构在构造上采用上、下钢面板之间设置抗剪支撑钢筋,然后再与聚氨酯泡沫复合成型,使其抗剪、抗变形的能力大大提高,通过试验并和以往的夹层结构相比表明这种结构具有比承载能力高、延性和吸能特性好、抗爆能力强等特点。用数值模拟手段揭示了:不同受力状态下钢板-支撑钢筋结构的受力特性;钢板与支撑钢筋的相对刚度（或相对用量）对结构受力性能的影响;与结构轴向平行的彼此相邻两排钢筋的节间交叉排列与不交叉排列对结构受力性能影响。研究表明,钢筋充当压杆的作用,骨架结构的压屈是由于钢筋的失稳造成的;钢面板对钢筋起约束作用,这种作用影响着各钢筋临界压屈荷载以及平均轴向应力的分布情况。钢筋的节间距离s减小,压屈荷载增大,结构的临界压屈荷载也增大。钢板与钢筋的用量或相对刚度必须满足一个合理的关系。根据压杆与薄平板的稳定理论,分别推导了两种模型条件下骨架结构受剪临界荷载的计算公式。通过聚氨酯泡沫外包金属约束的原理性试验,研究了夹芯泡沫与外包薄金属层的相互作用,试验表明夹芯复合结构由于充填的聚氨酯对支撑钢筋和钢板产生约束作用,防止钢筋与钢板过早地屈曲,其承载及变形能力都要比骨架结构大得多;聚氨酯不但在受载前期能防止钢筋与钢板过早地屈曲,在后期仍能限制其进一步变形,使得夹芯复合结构在受载后期仍有较高的残余承载力。野外抗爆试验表明,复合材料结构具有良好的抗变形能力,能够经受住多次重复爆炸破坏而不丧失使用功能。复合材料结构可出现三塑性铰破坏机构和四塑性铰机动破坏机构两种破坏形态,试验结果可作为进一步研究复合材料结构抗爆分析方法的试验依据;在此基础上的进一步分析还表明,在相同爆深下,复合材料结构比粘钢混凝土板、混凝土板所承受的应力强度小,充分说明复合材料结构有良好的抗爆性能。通过正交各向异性厚板理论,提出了分析复合材料结构抗爆特性的简化方法,建立了分析模型,推导了刚度常数,建立了内力的基本方程,为这种新型复合材料结构的应用提供理论基础。基于一维平面波理论,提出应用梁式模型来分析复合材料结构组合成的浅埋地下箱体工事的受力,将地下箱体结构的顶板视作两端简支在弹性地基上的埋设梁,略去底板结构变形对顶板内力的影响,将梁离散为若干有限厚梁元（位移分量为垂直位移w、截面转角β、水平位移u）,考虑横向剪切变形的影响,进行几何非线性计算。这一模型既考虑了箱体的整体运动,又考虑了顶板的挠曲变形,能有效且简便地对浅埋复合材料结构箱体进行受力计算。对复合材料装配式野战工事的设计进行了研究。工事应用设计需要根据战术技术要求来定,浅埋装配式野战工事往往顶板是最先破坏的部位,提出以梁的形式来计算和核算顶板,对于侧墙则以偏心受压构件来计算。工事的连接主要考虑搭接和串接紧固螺杆连接两种形式结合来完成,构件之间通过连接相互协同工作,充分发挥构件整体的变形能力。提出了复合材料装配式野战工事的施工技术要求。开挖平底坑是工事构筑的关键,快速开挖平底坑有机械和爆破开挖两种方法,要依据实际情况而定。依据试验提供了爆破开挖平底坑的有关方案数据,简要介绍了工事的安装,为工事的具体应用提供了方法依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 课题的研究意义
• 1.3 应用于地下浅埋工事的材料及结构研究现状
• 1.3.1 材料研究现状
• 1.3.2 野战防护工事的复合材料结构形式现状
• 1.3.3 野战防护工事的研究现状
• 1.3.4 野战防护工事结构形式的研究现状
• 1.4 研究展望
• 1.5 课题研究的目标、内容以及技术路线
• 1.5.1 课题研究目标
• 1.5.2 课题研究内容
• 1.5.3 拟解决的关键问题及技术路线
• 第2章 钢板-支撑钢筋-聚氨酯复合材料结构
• 2.1 引言
• 2.2 复合材料的选材
• 2.3 复合材料结构的研究定位
• 2.4 复合材料结构的构造及成型工艺
• 2.5 小结
• 第3章 聚氨酯泡沫材料的力学性能及材性分析
• 3.1 引言
• 3.2 聚氨酯泡沫材料抗静载力学性能
• 3.2.1 抗压力学性能
• 3.2.2 抗拉强度
• 3.2.3 材料拉、压性能的比较及其吸能特性分析
• 3.2.4 材料弯曲性能
• 3.3 硬质聚氨酯泡沫材料在使用环境中的性能研究
• 3.3.1 材料的热导率
• 3.3.2 材料的徐变
• 3.3.3 温度对材料压缩性的影响
• 3.3.4 含水量对压缩性能的影响
• 3.3.5 硬质聚氨酯泡沫材料耐久性分析
• 3.3.6 硬质聚氨酯泡沫材料阻燃性研究
• 3.4 小结
• 第4章 钢板—钢筋骨架结构的力学分析及钢筋钢板用量比研究
• 4.1 引言
• 4.2 钢板支撑钢筋骨架结构沿厚度方向的受压分析
• 4.2.1 引言
• 4.2.2 计算模型参数及有限元网格
• 4.2.3 计算结果
• 4.2.4 计算结果分析
• 4.2.5 结论
• 4.3 钢板支撑钢筋骨架结构受剪计算分析
• 4.3.1 计算模型与参数
• 4.3.2 主要计算结果
• 4.3.3 结构受剪临界荷载计算公式的推导
• 4.3.4 结论
• 4.4 支撑钢筋骨架结构与箍筋骨架结构受弯性能的比较分析
• 4.4.1 引言
• 4.4.2 计算模型与参数
• 4.4.3 配箍筋骨架结构
• 4.4.4 主要计算结果
• 4.4.5 计算结果分析
• 4.4.6 结论分析
• 4.5 支撑钢筋节间交叉与不交叉排列时骨架结构的受力性能比较
• 4.5.1 引言
• 4.5.2 计算模型与有限元网格
• 4.5.3 主要计算结果及分析
• 4.5.4 结论
• 4.6 内置支撑钢筋与钢面板相对用量对结构受力性能的影响分析
• 4.6.1 引言
• 4.6.2 钢板厚度与钢筋直径对复合结构受剪作用的影响
• 4.6.3 不同钢板厚度与不同钢筋直径对骨架结构受弯性能的影响
• 4.6.4 结构钢板与钢筋用量比的近似计算
• 4.7 小结
• 第5章 复合材料结构力学试验研究与分析
• 5.1 引言
• 5.2 金属薄壁筒充填聚氨酯泡沫复合材料结构的力学性能试验
• 5.2.1 试验内容和试验方法
• 5.2.2 试验目的
• 5.2.3 验结果及其分析
• 5.2.4 小结
• 5.3 复合材料结构的静力学性能试验研究
• 5.3.1 引言
• 5.3.2 试验内容与试件
• 5.3.3 试验设备与试验方法
• 5.3.4 试验结果及其分析
• 5.3.5 分析结论
• 5.4 复合材料结构与未充填结构受弯性能的有限元比较
• 5.4.1 引言
• 5.4.2 复合材料结构的有限元分析
• 5.4.3 主要计算结果
• 5.4.4 计算结果分析
• 5.4.5 结论
• 5.5 小结
• 第6章 复合材料结构的抗爆特性试验研究及分析
• 6.1 引言
• 6.2 试验方法
• 6.3 试验目的
• 6.4 试验的测量
• 6.4.1 测点的布置
• 6.4.2 测量系统
• 6.5 试验结果
• 6.5.1 力学参数测量结果
• 6.5.2 结构变形和破坏的宏观描述
• 6.6 复合材料结构的抗爆特性数值分析
• 6.6.1 引言
• 6.6.2 一般介绍
• 6.6.3 材料本构模型
• 6.6.4 计算结果分析
• 6.6.5 结论
• 6.7 小结
• 第7章 复合材料结构的简化力学分析模型
• 7.1 引言
• 7.2 简化力学模型
• 7.2.1 简化模型的基本假想
• 7.2.2 弹性刚度常数确定
• 7.2.3 正交各向异性板基本方程
• 7.2.4 静力作用下解析解与有限元法解的比较
• 7.3 结构参数的讨论
• 7.3.1 前言
• 7.3.2 关于钢筋支撑的讨论
• 7.3.3 关于硬质聚氨酯作用的讨论
• 7.3.4 关于横向刚度的讨论
• 7.3.5 结论
• 7.4 小结
• 第8章 复合材料构件用作浅埋野战工事顶板的受力分析
• 8.1 引言
• 8.2 工事计算特点
• 8.2.1 荷载作用形式的特殊性
• 8.2.2 浅埋复土的特点
• 8.2.3 结构材料性能的特殊性
• 8.3 计算模型
• 8.3.1 工事结构静、动载试验研究
• 8.3.2 计算模型的提出
• 8.4 梁式模型的有限元计算公式
• 8.4.1 引言
• 8.4.2 单元离散及位移插值函数
• 8.4.3 几何非线性应变-位移关系
• 8.4.4 应力-应变关系
• 8.4.5 单元节点荷载
• 8.4.6 有限元系统平衡方程
• 8.4.7 结构线性动力平衡方程
• 8.4.8 结构非线性动力平衡方程
• 8.5 算例
• 8.5.1 结构及介质物理参数
• 8.5.2 荷载计算
• 8.5.3 单元节点荷载计算
• 8.5.4 有限元模型
• 8.5.5 计算结果
• 8.6 小结
• 第9章 复合材料装配式野战工事设计
• 9.1 引言
• 9.2 工事设计的依据
• 9.3 工事设计的主要步骤
• 9.4 基本构件设计
• 9.5 工事结构设计
• 9.5.1 荷载计算
• 9.5.2 复合材料的计算方法
• 9.5.3 矩形框架计算
• 9.5.4 工事连接设计
• 9.6 小结
• 第10章 工事的应用施工
• 10.1 引言
• 10.2 工事构筑的一般程序
• 10.2.1 工程勘察
• 10.2.2 确定作业方法、作业器材
• 10.2.3 明确开挖要求
• 10.2.4 做好开挖准备工作
• 10.2.5 开挖平底坑
• 10.2.6 构筑工事
• 10.3 装配式野战工事的构筑
• 10.3.1 构筑要求
• 10.3.2 快速开挖平底坑
• 10.4 工事安装
• 10.4.1 安装的一般程序
• 10.4.2 安装作业
• 10.5 小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文及科研成果