碳纤维约束混凝土短柱抗冲击性能研究

论文摘要

纤维增强复合材料（简称FRP）最显著的特点在于高比强度（强度与重量之比）和良好的耐腐蚀性,世界各地对基础设施加固、修复和改造的巨大需求,以及FRP材料轻质、施工便捷等优点使得该项技术得以迅速发展,然而FRP约束混凝土在爆炸与冲击等一些偶然荷载作用下的性能研究还处在初步探索阶段。近年来,建筑结构遭受冲击、撞击和爆炸破坏的事件频频发生,对FRP约束混凝土结构的抗冲击性能研究因此而变得非常重要。本文采用湖南大学的高性能落锤实验机CFRP（碳纤维增强复合材料）约束混凝土短圆柱的抗冲击性能进行了试验研究,同时作为对试验的完善补充,应用大型通用有限元软件LS-DYNA对试验进行数值模拟分析。本文的主要研究工作有以下几点:1.采用落锤试验机分别对包裹不同CFRP层数的混凝土短柱和素混凝土短柱在三种不同冲击高度下进行落锤试验,获得了锤头的冲击力的时程曲线、CFRP表面中间部位的竖向及环向应变的时程曲线,并采用摄像头拍下了短柱被落锤撞击的完整破坏过程。2.对CFPR约束混凝土短圆柱和素混凝土短圆柱在落锤冲击作用下的性能进行了比对,探讨了短圆柱的最大冲击力、应变、冲击力的作用时间和落锤能量的关系,并分别比较与分析了在冲击荷载作用下和静力荷载作用下短柱的破坏状态及荷载—应变的关系。通过落锤在冲击的过程中的能量转换关系、落锤试验采集的最大冲击力和静承载力的关系,来推导出简化冲击力的计算公式,提出了CFRP约束混凝土短柱抵抗冲击所需的静承载力的计算方法,为工程设计作出了一定的贡献。3.采用动力有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA对试验过程模拟分析。模拟结果表明,锤头的冲击力时程曲线、CFRP表面应变与试验实测值较为相近,将模拟所得结果与试验结果作比较,验证了模拟结果,在试验结果的基础上补充探讨了冲击过程中能量的变化规律以及CFRP约束混凝土柱的破坏机理,同时指出试验中存在的不足之处。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 插图索引
• 附表索引
• 第1章 绪论
• 1.1 CFRP 约束混凝土简介及研究进展
• 1.2 结构抗冲击研究进展
• 1.2.1 结构冲击概述
• 1.2.2 冲击动力学发展历程
• 1.3 FRP 约束混凝土结构抗冲击研究进展
• 1.4 选题的意义及本文研究内容
• 第2章 碳纤维约束混凝土短柱相关静力试验
• 2.1 材性试验
• 2.1.1 CFRP 布
• 2.1.2 混凝土
• 2.2 CFRP 约束混凝土短柱静载试验
• 2.2.1 验概况
• 2.2.2 试验结果及破坏状态分析
• 2.3 本章小结
• 第3章 CFRP 约束混凝土短柱的落锤冲击试验
• 3.1 试验方案
• 3.1.1 试件设计过程
• 3.1.2 试件处理和制作
• 3.2 试验装置
• 3.2.1 加载装置
• 3.2.2 量测装置
• 3.3 试验过程
• 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 试件破坏状态描述
• 3.4.4 冲击力时程曲线
• 3.4.5 应变时程曲线
• 3.4.6 最大冲击力与静承载力之比
• 3.5 本章小结
• 第4章 落锤冲击试验的有限元分析
• 4.1 非线性动力有限元程序简介
• 4.2 应用的大变形动力学数值计算理论
• 4.3 材料模型的选取及碰撞影响因素
• 4.3.1 CFRP 材料模型
• 4.3.2 混凝土材料模型
• 4.3.3 钢垫块、锤体和支座的材料模型
• 4.3.4 碰撞分析的影响因素
• 4.4 落锤试验的有限元建模
• 4.4.1 单元类型的选择
• 4.4.2 试验的几何建模和网格划分
• 4.4.3 界面接触的定义
• 4.4.4 边界条件及初始速度的定义
• 4.5 数值模拟结果与分析
• 4.5.1 锤头冲击力时程曲线
• 4.5.2 试件表面应变时程曲线
• 4.5.3 碳纤维约束的影响
• 4.5.4 能量变化的模拟
• 4.6 本章小结
• 第5章 结论和展望
• 5.1 结论
• 5.2 不足与展望
• 参考文献
• 致谢