爆炸荷载作用下钢柱的动力反应分析

建筑室内爆炸超压载荷,考虑钢材在高应变速率下的材料力学性能的变化,对结构竖向构件钢柱在爆炸超压载荷作用下的动力反应进行数值分析。结果表明:采用Johnson-Cook本构模型,可以有效地模拟钢柱在爆炸荷载作用下的动力行为;对于给定截面型式的钢柱,钢柱长度及柱顶荷载的大小对钢柱在爆炸荷载作用下的承载能力有很大的影响。     

基于离散元法的爆炸荷载作用下钢框架倒塌模拟

在杆系结构弹性离散元(DEM)方法基础上,进一步发展了可考虑截面塑性开展的DEM纤维本构模型,构建了构件断裂模拟算法,并将该方法应用于钢框架结构在爆炸荷载作用下的动态响应和倒塌破坏全过程模拟。结果表明:纤维模型可以考虑截面塑性开展以及损伤演化过程,断裂算法能有效地模拟构件的失效过程及破坏模式;在爆炸荷载作用下,边柱先于中柱失效,且钢柱产生了不可恢复的塑性变形直至断裂,最终丧失承载力导致钢框架发生整体倒塌。该方法为今后研究大型或超大型杆系结构的大变形、材料非线性以及构件断裂等复杂力学行为提供了一种新的数值分析手段。     

室内爆炸荷载作用下钢柱动力响应的参数分析

采用有限元软件ANSYS/LS-DYNA研究了开洞空间内炸药爆炸冲击波传播特性和荷载的简化方法,提出了适用于室内爆炸情况下简化的荷载模型,并将该荷载模型施加于两端铰接的钢柱上,利用ABAQUS有限元软件对不同工况下钢柱的动力响应进行了参数分析。结果表明,降低轴压比和长细比可有效提高钢柱在爆炸荷载作用下的承载能力和稳定性;轴压比较小时,随着轴压比的增加,柱中最大位移有少量增幅,只有当轴压比达到一个限值才会对柱中位移产生显著影响,随着长细比的增大,该值有所降低;增加钢柱截面高度比增加截面宽度更能有效地提高柱的抗爆能力。     

高温与爆炸作用下轻钢柱动力响应与破坏模式数值分析

采用有限元数值分析方法,研究高温与爆炸荷载联合作用下轻钢结构柱的动力响应与破坏模式规律,在分析中考虑不同火灾温度与不同爆炸冲击荷载峰值,以及在相同爆炸荷载峰值下不同冲击荷载峰值出现时间等参数的影响。通过有限元软件ANSYS/LS-DYNA建立实体轻钢柱模型,根据欧洲规范3建议的升温曲线及不同温度条件下材料性能参数,确定钢材的弹性模量、剪切模量、屈服强度等参数。选定在特定温度点对钢柱施加爆炸荷载,分析时考虑应变率效应。数值分析结果表明:相同爆炸荷载作用下随着火灾过程中温度的升高,轻钢柱跨中变形增大,轻钢柱的损伤更明显;相同爆炸荷载峰值作用下爆炸荷载峰值出现时间越小,轻钢柱跨中变形越大;在高温下发生爆炸轻钢柱的变形要比常温的明显,由于高温使轻钢柱的材料性能急剧降低,使高温和爆炸荷载作用下的轻钢柱破坏模式明显不同于常温下的破坏模式。     

钢柱考虑损伤累积效应的强震下损伤演化规律

为精确描述钢材在地震作用下强度和刚度退化规律,在考虑Bauschinger效应的K&K模型基础上,引入一种基于连续损伤力学原理的损伤模型,并定义相应的失效准则。通过与已有试验结果对比,验证了引入损伤模型和失效准则后的修正K&K模型能有效提高钢柱在地震作用下动力响应的模拟精度。考虑材料损伤累积效应,钢柱竖向承载力显著降低,柱顶处产生较大的峰值位移和残余位移。运用修正K&K模型,对空心带肋钢柱在强震作用下的损伤演化规律进行分析,结果表明,钢柱损伤在峰值加速度出现时段内发展迅速,并且随地震强度的增大而增大,钢柱的破坏模式为弯曲破坏。图11表5参13     

爆炸作用下钢柱动力响应快速评估方法

为了快速计算爆炸作用下钢柱的动力响应,针对不同爆炸荷载类型提出相应的计算方法：对于冲量爆炸荷载,将KARAGIOZOVA提出的上限法引入等效单自由度体系计算钢柱的局部和整体变形;对于准静态爆炸荷载,直接采用等效单自由度法计算钢柱的整体变形;对于动力爆炸荷载,采用建立的以局部和整体变形为评估指标的P-I曲线计算钢柱的变形响应。结果表明：提出的方法计算结果可靠,可应用于爆炸作用下钢柱动力响应的快速评估计算。     

横向冲击作用下预加荷载钢框架的动力响应分析

钢框架在冲击荷载作用下的冲击响应及损伤破坏是一个复杂的非线性过程。采用Johnson-Cook强度模型考虑钢材在冲击荷载下的动态力学行为,采取Johnson-Cook断裂准则作为冲击荷载下钢材损伤开始准则,并考虑钢材损伤演化。利用ABAQUS建立横向冲击下钢框架的三维模型,通过能量转换关系和沙漏能控制确保数值模拟方案的精确性与合理性。通过改变冲击动能、冲击位置和轴压力等参数,得到这些参数对横向冲击作用下预加荷载钢框架的冲击响应模式的影响,揭示冲击响应随参数变化规律。结果表明:在横向冲击荷载作用下预加荷载钢框架有3种冲击响应模式;冲击动能、冲击位置和轴压力的增加,会加剧框架的冲击响应;冲击动能是影响横向冲击作用下钢框架冲击响应的主要因素,钢框架在横向冲击作用下发生整体倒塌时存在临界冲击动能;整个横向冲击过程,损伤发生的区域主要在冲击体与钢框架接触区域。     

天津港“8·12”爆炸桁架厂房破坏效应研究

本文以天津港8·12特别重大火灾爆炸事故为背景,主要研究不同比例距离下钢结构单层厂房在受到爆炸荷载时的动力响应和破坏过程。采用Plastic-Kinematic塑性随动模型考虑应变率效应模拟在爆炸荷载作用下低碳钢材料的本构关系。利用有限元ANSYS/LS-DYNA软件实现对平面桁架结构在爆炸荷载作用下结构响应、破坏和倒塌过程的数值模拟,分别控制实际爆炸距离以及炸药当量,研究不同比例距离下的钢结构单层厂房破坏效应。得出炸药当量一定时,实际爆炸距离的改变对结构的倒塌破坏影响更大这一结论。     

框架柱在爆炸冲击荷载作用下动力系数及破坏模式研究

在爆炸冲击荷载作用下,结构底层柱的破坏可能会导致结构的连续倒塌。本文综合考虑了不同柱端约束条件和不同折合距离的影响,运用LS-DYNA分析了爆炸荷载作用下三组钢筋混凝土柱的动态响应及破坏模式。混凝土采用脆性损伤模型并考虑损伤及应变率效应,通过建立三维实体柱模型,得到动力系数、柱破坏模式及不同折合距离的柱中节点位移时程曲线。结果表明,相同的T/Tw,爆炸荷载作用下两端固接柱的动力系数比一端固接一端铰接柱的大,钢筋混凝土柱在爆炸冲击荷载作用下的侧向位移随着折合距离的增大而逐渐减小,当折合距离Z2.0时,爆炸冲击荷载对柱的影响可以忽略。     

强震作用下钢材等效本构模型应用研究

为研究考虑损伤退化的钢材等效本构模型在整体框架中的应用及其用于强震作用下钢框架结构弹塑性时程分析的可行性,选取已有典型钢框架静力及动力试验,对其分别采用等效本构模型和传统的两折线模型进行计算,并与试验结果进行对比分析,验证等效本构模型的可靠性和对计算精度的提高作用。在此基础上,将等效本构模型应用于10层钢框架结构抗震性能分析中,采用增量动力分析法,研究损伤累积退化对多高层钢框架结构强震作用下动力响应的影响,并与不考虑损伤退化的模型计算结果进行对比分析。分析结果表明：累积损伤退化的发生会加剧结构的动力响应,若不考虑此影响,会低估结构变形,导致结构存在一定的安全隐患。采用等效本构模型的增量动力分析能够较为合理地反映结构在强震作用下的承载性能退化现象,但不同地震波作用下的计算结果差异较大。     

钢板笼混凝土短柱抗震性能试验研究

地震作用下的建筑物或构筑物的混凝土短柱易发生脆性破坏,引起结构的严重破坏甚至倒塌;钢板笼混凝土（PCS）是混凝土结构体系的一个重要补充,研究PCS短柱的抗震性能对PCS结构体系的科学研究和工程运用具有重要的参考意义。通过对7个PCS短柱以及1个RC短柱对比件进行低周反复荷载试验,研究板厚、轴压比和横向钢板条间距对试件的破坏形态、滞回性能、骨架曲线、承载力、延性、耗能性能以及刚度与承载力退化的影响,并对其进行累积损伤分析。研究结果表明：试件均发生剪切脆性破坏,PCS试件中横向钢板条易断裂,但相比于RC试件短柱,其耗能能力、承载力及延性均有明显的提高;试件横向钢板条间距减小,有利于发挥PCS短柱的受剪性能,表现出较好的延性和耗能能力;PCS试件的承载力先随板厚的增大而增大,但当板厚增大到界限值后,受剪承载力反而下降;采用基于能量耗散原理和试件在低周反复荷载作用下的P-Δ滞回曲线所建立的累积损伤评价模型,能较真实地反映在低周反复荷载作用下PCS试件的累积损伤状态。     

考虑损伤效应的型钢高强高性能混凝土框架柱恢复力模型研究

为研究型钢高强高性能混凝土框架柱的抗震特性,基于已进行的9榀型钢高强高性能混凝土框架柱低周反复加载试验结果,进一步分析了其滞回特性,并将其骨架曲线简化为带下降段的理想三折线型骨架曲线模型,给出了骨架曲线的确定方法,同时简化了滞回环。通过引入基于损伤的循环退化指数对构件在反复荷载作用下的屈服荷载、硬化刚度、卸载刚度、再加载刚度以及承载力等各项力学性能指标的退化规律进行了描述,建立了基于损伤的型钢高强高性能混凝土框架柱的恢复力模型,给出了具体的滞回规则。结合试验结果,对恢复力模型的有效性进行了验证。研究结果表明：该模型能够较好地描述型钢高强高性能混凝土框架柱在反复荷载作用下的滞回特性,研究结果可为该类结构的弹塑性时程分析提供理论参考。     

爆炸荷载作用下钢筋混凝土柱的动力响应与破坏模式

在爆炸荷载作用下,钢筋混凝土构件和结构的动力响应较之地震荷载和静态荷载作用下要复杂得多。运用有限元显式动力分析软件LS-DYNA,建立了典型钢筋混凝土柱的三维有限元模型,该模型对钢筋混凝土采用分离式建模,并且考虑了材料的应变率效应和钢筋与混凝土间的粘结滑移。在该有限元模型的基础上,通过对爆炸荷载作用下钢筋混凝土柱动态响应的数值模拟,研究了钢筋混凝土柱在爆炸荷载作用下可能的破坏模式及其规律。同时,运用参数化分析方法,研究了截面惯性矩、混凝土轴心抗压强度、纵筋配筋率和配箍率等参数对钢筋混凝土柱在爆炸荷载作用下的动态响应的影响,在数值模拟结果的基础上,分析提出了钢筋混凝土柱抗爆设计时应当注意的问题。研究结果表明:在爆炸荷载作用下,钢筋混凝土柱的破坏模式不仅和自身的特性有关,还取决于爆炸荷载的类型。提高柱截面惯性矩和混凝土轴心抗压强度,能够显著降低钢筋混凝土柱在爆炸荷载作用下的柱中水平位移,从而提高其抗爆性能。增加配箍     

Survivability of steel frame structures subject to blast and fire

The lesson learned from the terrorist attacks on buildings is the need to assure structures’ ability to sustain local damage without total collapse. Some of the terrorist attacks take the form of blast followed by fire which may cause catastrophic failure of the structure. This paper presents a numerical model for analyzing steel frame structures subject to localized damage caused by blast load and subsequently investigating their survivability under fire attack. The proposed numerical method adopts a mixed-element approach for modeling large-scale framework and it is proven to be sufficiently accurate for capturing the detailed behaviour of member and frame instability associated with the effects of high-strain rate and fire temperature. Design implications related to the use of various numerical models for separate assessment of blast and fire resistance of steel structures and their components are discussed. Fire–blast interaction diagrams are generated to determine the fire resistance of columns considering the initial damage caused by the blast loads. A multi-storey steel building frame is analyzed so that the complex interaction effects of blast and fire can be understood and quantified. The frame is found to be vulnerable, as it possesses little fire resistance due to the deformation of key structural elements caused by the high blast load.     

内埋空间钢构架方形钢管混凝土组合短柱--偏心受压性能有限元分析

为了改善方形钢管混凝土柱的受压性能,在方形钢管混凝土柱中内埋空间钢构架形成空间钢构架-方形钢管混凝土组合柱。这种新型的组合柱具有空间钢构架约束核心混凝土和方形钢管约束空间钢构架外混凝土的双重约束作用,能够有效地改善这种新型组合柱的受压性能和变形能力。为了进一步研究这种新型组合短柱的偏心受压性能,在试验的基础上,本文采用了ABAQUS有限元分析软件,建立了该组合短柱的有限元模型。在验证了模型的准确性后,以方钢管的套箍指标、空间钢构架的约束影响系数、偏心距为参数,对该组合短柱模拟分析。结果表明:方钢管的套箍指标是影响该组合短柱承载力的重要参数。且该组合短柱在大偏心受压时参数的改变对承载力的影响更大。     

带PEC柱的钢板剪力墙结构抗震性能试验研究

为了解决薄钢板剪力墙结构中框架柱易发生破坏而失效的问题,将强度高、刚度大的PEC柱引入薄钢板剪力墙结构,作为竖向边缘构件形成PEC-SPSW结构,分别对1榀带H形钢柱、2榀带PEC柱的钢板剪力墙结构,进行了低周往复荷载作用下的抗震性能试验研究。通过分析该结构的承载力、初始刚度、耗能能力、应力分布及破坏模式,得到了带PEC柱的钢板剪力墙结构具有更好的抗侧刚度、承载力和耗能性能。PEC柱构件对薄钢板有更好的锚固约束作用,从而使得薄钢板充分发挥屈曲后强度作用,带PEC柱的钢板剪力墙结构有更好的发展前景。     

墙板约束对轴心受压钢柱承载力的影响

墙板在其平面内具有一定的刚度 ,为钢柱提供了侧向约束 ,提高了钢柱的稳定承载能力。利用大型有限元分析程序ANSYS ,对考虑墙板约束的钢柱承载力进行了非线性有限元分析。说明了墙板约束对轴压钢柱承载力及破坏形式的影响 ,并提出了带有墙板的钢柱轴心受压承载力的简化计算模型。     

某航站楼在爆炸作用下抗倒塌性能研究

为了避免抗倒塌性能分析时确定关键构件的盲目性,考虑相邻构件损伤的影响,评估爆损构件残余承载力对结构抗倒塌性能的影响,首先根据航站楼结构的特点与可能遭遇爆炸的危险程度,合理确定大跨度钢结构抗爆关键构件的可能部位。通过对爆炸当量、爆炸距离与结构构件损伤程度关系的研究,确定关键构件及其相邻构件的损伤情况。分别采用移除构件法与多尺度模型对破坏严重的构件进行模拟,考察航站楼结构在爆炸作用下的抗倒塌性能。分析结果表明,箱形钢柱的损伤程度主要与爆心距离和爆炸当量有关,迎爆面的变形远大于背爆面,柱顶斜撑杆的损伤程度与爆炸冲击波的入射夹角关系密切。采用移除构件法进行大跨度结构抗倒塌性能分析时,屋盖的局部变形很大,结构发生局部严重破坏,分析结果偏于保守。通过多尺度模型,可以采用壳单元较为准确地模拟构件在爆炸作用下的损伤情况。由于大跨度的竖向构件具有较大的冗余度,爆损后仍然具有一定的残余承载力,可以有效抑制变形的发展,采用多尺度模型得到的屋盖变形远小于移除构件法的分析结果。     

预压装配式预应力混凝土框架边柱拆除时抗连续倒塌性能试验研究与理论分析

对一榀二层二跨预压装配式预应力混凝土(PC)平面框架进行了静力拆除底层边柱的试验及理论分析,探究了裂缝发展、变形能力、破坏模式及连续倒塌机理。根据试验框架达到极限承载力时的状态,提出了边柱失效时简化的结构抗力分析模型,并推导出结构抗倒塌极限承载力的计算方法; 基于能量法建立近似的动力响应评估模型,根据试验框架静力加载荷载-位移曲线近似得到其在边柱瞬时失效时的动力响应曲线。结果表明:框架的受力过程可分为弹性、弹塑性、塑性铰以及倒塌4个阶段; 加载时试件的混凝土裂缝开展及破坏集中在失效边柱相邻区域框架梁两侧梁端结合部,除失效边柱外,其余框架柱以及失效柱远离区域框架梁端基本完好; 框架在小变形阶段按梁机制受力,存在压拱效应及空腹效应; 在大变形阶段不能按悬链线机制受力,由梁的受弯机制和空腹机制共同抵抗不平衡荷载; 边柱失效时预压装配式预应力混凝土框架最大抗力达到60.9 kN,最终倒塌位移为430 mm,梁端转角为10.0°～15.3°,具有较好的抗连续倒塌能力。