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钢管混凝土结构构件在侧向撞击下动力响应及其损伤破坏的研究

王蕊  
【摘要】: 钢管混凝土(CFST)结构构件充分发挥了钢管与混凝土两种材料的特性和潜力,使其具有强度高、韧性好、施工便捷等一系列优良特性,近年来越来越广泛地被用于工业与民用建筑、大型桥梁及地下结构等重要工程领域。这些重要结构在服役过程中不可避免地会遭受各种意外的撞击加载作用。撞击加载以其历时短、强度高为特征,结构经受撞击加载时变形极为迅速,惯性效应必须计及,从而使结构的响应与失效同静力受载情况相比有着许多不同的规律和特征。显然,钢管混凝土构件在强动载作用下的变形、损伤及破坏的研究有着十分重要的应用背景,然而由于各种效应的耦合,致使该类问题极其复杂、研究难度较高,且国内外已有的研究甚少。本文对钢管混凝土梁、柱结构构件经受大质量、中低速的侧向撞击作用时的动力响应与破坏机理从多个层面开展了较为系统地研究。主要工作与结果如下: 1、在国产50吨YAW-5000型微机控制电液伺服压力实验机上进行了两类边界条件、三种钢管壁厚的钢管混凝土梁跨中单点荷载作用下的静载弯曲试验,记录了荷载—挠度的关系曲线。在多数工况下曲线有稳定的平台值,表明钢管混凝土梁具有良好的塑性吸能特性。试件的破坏为典型的正截面弯曲破坏。基于构件破坏的特征提出了关于梁横截面塑性极限弯矩M_p的计算公式,此式计算出的弯矩可用于该类构件的极限分析或结构塑性动力响应的研究。 2、借助DHR9401型落锤式冲击实验机,首次完成了三类边界条件、三种钢管壁厚的钢管混凝土梁的侧向撞击试验。落锤的质量为229.8kg和203.5kg两种,撞击速度最大为14m/s。试件的典型破坏模式主要表现为撞击点附近和固定端附近钢管的局部皱曲、跨中圆截面的扁化、梁的整体弯曲和正截面的开裂破坏。试验中记录的撞击力时程曲线可分为迅速上升的冲击力加载、平稳的塑性动力响应和卸载三个阶段。撞击的持续时间大约为15ms-30ms左右,随撞击能量的增大而增长。较长的平台段表明CFST梁构件具有良好的韧性。卸载段的持续时间随试件跨中截面钢管的开裂而加长。构件跨中截面钢管开裂时对应的临界冲击能量与支撑条件密切相关,两端简支和一端固定一端简支构件的临界冲击能量大约分别为两端固定构件的40%和75%。 3、为了考察钢管混凝土柱的抗侧向冲击性能,利用碟形弹簧组自行制作加工了在侧向冲击过程中施加轴向力的试验装置,利用这套装置成功完成了受轴压柱的侧向冲击试验,试验过程中记录了轴向力、冲击力时程曲线,获得了轴压力对构件跨中挠度的影响。轴压力时程曲线显示在冲击过程中轴向力的损失最大量为初始轴向力的20%;侧向冲击与轴压力的耦合效应,使冲击力时程曲线只经历了冲击力峰值和卸载两个阶段;轴压力对构件的抗冲击能力有显著的影响。 4、利用LS-DYNA完成了CFST构件侧向冲击的仿真分析,并在建模中考虑了混凝土三向应力状态的本构关系,仿真分析给出的破坏模式、冲击力时程曲线以及冲击力幅值、冲击力持续时间、临界冲击能量等特征量与试验结果表现出相当好的一致性。仿真分析结果表明:钢管的应变率效应不明显;混凝土只在冲击力峰值阶段处于高围压状态,在冲击力平台阶段混凝土受压部分的应力值稳定在单轴抗压极限强度值附近,截面中性轴略高于其几何形心轴位置;跨中截面钢管的开裂主要由钢材的极限拉伸应变决定;轴压力小于0.3N_0时,轴压力的存在可以提高构件的抗侧冲击能力,轴压力大于0.3N_0后,轴压力明显降低构件的抗冲击能力,在临界冲击能作用下,轴压力为0.3N_0时,构件出现失稳现象。 5、利用刚塑性模型及本文提出的截面极限塑性弯矩,对CFST梁的动力响应问题进行了理论分析;当考虑CFST柱的动力响应时,采用简化的正方形轴力与弯矩相互作用屈服面,建立了轴向力与侧向冲击响应耦合的分析模型,并对试验工况进行了计算,其结果与试验结果吻合程度较好。 6、通过对仿真分析和理论分析结果的综合与整理,得到了两端简支CFST构件套箍系数与临界冲击能的函数关系为E_(cr)=6.46+1.21ξ+0.39ξ~2;一端固定一端简支构件套箍系数与临界冲击能的函数关系为E_(cr)=3.93+8.68ξ-0.65ξ~2,两端固定构件套箍系数与临界冲击能的关系为E_(cr)=5.26+11.62ξ-0.87ξ~2;在套箍系数中钢材的屈服强度变化比钢管壁厚的变化对CFST构件临界冲击能影响显著。


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