钢箱梁桥面板爆炸冲击响应数值模拟研究

大跨度缆索承重桥梁遭受恐怖爆炸袭击的风险比一般桥梁大。运用LS-DYNA非线性有限元软件,研究了箱包炸弹和小轿车炸弹（TNT当量10kg-500kg）桥面爆炸冲击作用下缆索承重桥梁钢箱梁正交异性桥面板的塑性变形、开裂与破口及耗能。结果表明：桥面板的主要耗能机制为盖板和加劲肋的塑性变形耗能,占爆炸输入能量的70%以上;加劲肋和横隔板对桥面板破口有约束作用,TNT当量为300kg-500kg时,纵桥向破口尺寸小于等于横隔板间距,并小于横桥向破口尺寸     

钢质圆柱壳在侧向局部冲击荷载下的变形及失效破坏

基于动力有限元程序LS-DYNA及随动塑性Cowper-Symonds模型,对两端固支钢质薄壁圆柱壳经受半球头弹体侧向局部冲击的非线性动力响应问题进行数值模拟,获得了不同冲击条件下圆柱壳的变形及破坏模态,并研究了弹体在不同周向冲击倾角时壳壁产生穿透性破裂的最小速度（临界破裂速度）。研究表明,圆柱壳破坏模式与弹体冲击倾角θ0、冲击速度V等因素密切相关,将发生局部凹陷、碟形变形及穿透现象,且临界破裂速度随冲击倾角的增大而增大。研究结果可应用于圆柱壳在侧向局部冲击作用下的毁伤预测,从而为圆柱壳结构的安全防护设计提供理论依据。     

超高车辆撞击钢桥上部结构模型试验研究

针对当前城市交通中凸显的车桥碰撞问题,设计了超高罐车撞击钢箱梁桥和钢板梁桥的缩尺模型试验,并采用动力非线性有限元对撞击试验进行了数值模拟。试验结果表明不同桥型在超高车辆的撞击下,其破坏模式有着明显的差别,钢箱梁桥以整体变形为主,钢板梁桥以局部冲切变形为主。文中建立的有限元模型和试验结果吻合良好     

汽车炸弹钢箱梁内部爆炸局部破坏效应分析

采用ALE多物质流固耦合算法,对汽车炸弹 (TNT当量200kg~1500kg) 在双层桥梁下层桥面典型位置爆炸的局部破坏效应进行了数值模拟,研究了内爆炸冲击作用下钢箱梁的响应过程、破坏模式、破坏参数及其主要影响因素。结果表明：破坏模式及破坏参数与爆炸位置和TNT当量密切相关,爆炸位置对桥梁主要受力体系的受损程度影响较为明显,加劲肋对其垂直方向的破口具有约束作用,箱体对冲击波的约束效应使破坏作用加剧。合理设置加劲肋、加强重要构件和设置防爆层等措施有利于提高桥梁结构抗爆能力。     

压实系数对内填砂卵石薄壁方钢管柱在冲击载荷下力学性能的影响分析

利用落锤冲击装置完成了不同压实系数下内填砂卵石薄壁方钢管柱侧向冲击试验,试验中记录了冲击力时程曲线,并获得了试件的破坏形态以及残余变形量。基于剩余承载力损伤评估准则,定义损伤度来判定冲击荷载下内填砂卵石薄壁方钢管柱损伤破坏程度,分析压实系数与柱损伤度的关系。试验结果表明:试件在侧向冲击荷载作用下,主要以局部破坏为主,并伴有一定量的整体弯曲变形;除了试件塑性变形中产生的塑性铰能消耗部分冲击能量外,内填砂卵石也能耗散一部分冲击能量,且压实越紧密,能量消耗越多,该组合柱表现出了较好的抗冲击性能;在一定压实系数范围内,损伤度随着压实系数增大出现先增大后减小的趋势,且砂卵石离散程度越小,损伤度的变化速率就越大。     

钢板夹钢管组合板抗接触爆炸性能研究

鉴于钢管良好的变形能力、吸能特性和夹层结构在强度、刚度上的优势,提出了分层结构为钢板-钢管芯层-钢板的三明治型抗爆组合板。对芯层钢管数量为5根、4根、3根的组合板进行了TNT装药量为1kg的接触爆炸试验,考察了各板在承受接触爆炸冲击荷载时的变形及破坏情况,并对变形破坏过程进行了理论分析和数值模拟。研究表明,钢板夹钢管组合板承受接触爆炸冲击荷载时,主要发生局部压缩变形。钢管变形是组合板耗散能量的主要途径。增加钢管数量,增大钢板厚度,增大钢管管壁厚度,均可减小组合板在接触爆炸条件下的变形破坏,提高抗接触爆炸性能。     

爆炸冲击波与高速破片对夹层结构的联合毁伤效应试验研究

为探讨爆炸冲击波和高速破片联合作用对夹层结构的毁伤机理,进行了钢-玻璃钢-钢夹层结构空中近爆模型试验,分析了结构变形破坏模式及冲击波与高速破片的联合毁伤机制。结果表明,爆炸冲击波和高速破片联合作用下,结构的毁伤程度远大于冲击波的单独作用。爆炸冲击波单独作用时,夹层结构前、后面板均产生褶皱变形,玻璃钢夹芯板则以大面积分层破坏和纤维层的脱落为主。而在爆炸冲击波和高速破片联合作用下,前面板以反向大变形和中部穿甲大破口为主,后面板以大变形和花瓣开裂为主,玻璃钢夹芯板则产生了较大的穿甲破口和分层破坏。爆炸冲击波能量主要通过前、后面板的塑性大变形和玻璃钢夹芯板的分层破坏吸收。高速破片的动能则主要通过前、后面板的剪切破坏、玻璃钢板的分层破坏和纤维层的拉伸断裂吸收。     

正交异性钢桥面构造细节的日照温度次应力分析

为研究正交异性钢桥面板构造细节的日照温度次应力行为,多次在高温和强日照天气下现场实测了某自锚式悬索桥钢箱梁外周和实腹式横隔板上温度场,基于观测到的最大顶底板温差拟合了横隔板竖向温度梯度表达式;在ANSYS中建立了钢箱梁节段有限元模型并施加外周温度,计算其24 h温度场,并与横隔板实测竖向温度的对比校验了温度场模拟的合理性;开展了钢箱梁节段和子模型的精细化热应力分析,得到了纵肋-横隔板和弧形切口共4个构造细节的温度应力时程曲线。研究表明：在强太阳辐射和高温环境下,钢箱梁横向温差不明显,但存在明显的竖向温度梯度,横隔板竖向温度梯度可拟合为四折线形式,最大温差明显小于欧规值。正交异性钢桥面板产生热变形并在构造细节处产生明显热应力集中,特别是弧形切口热应力大。仅日照竖向温度梯度作用,或仅桥面货车通行加载,弧形切口均为无限疲劳寿命;但二者共同作用产生的应力幅,大于构造细节的常幅疲劳极限,可能是该构造细节出现疲劳开裂的原因。     

钢板夹泡沫铝组合板抗爆性能研究

鉴于泡沫铝材料优异的吸能特性和夹层结构在强度、刚度上的优势,提出了分层结构为钢板-泡沫铝芯层-钢板的抗爆组合板。对厚度为10 cm、7 cm和5 cm的组合板进行了5组不同装药量的爆炸试验,考察了各板在不同装药量爆炸条件下的变形及破坏情况,并对变形破坏过程进行了理论分析。研究表明:组合板承受爆炸冲击荷载时,通过局部压缩变形和整体弯曲变形吸收能量。钢板相同时,适当增大泡沫铝芯层厚度,增强面板与芯层间连接,可提高该组合板的抗爆性能,防止组合板发生剥离,减小其承受爆炸冲击荷载时产生的变形。     

三角形蜂窝在面内冲击荷载下的力学性能

摘要：通过数值计算研究规则排布和交错排布的三角形铝蜂窝在面内冲击荷载下的变形模式、承载能力以及能量吸收特性。结果表明两种蜂窝的变形均随着冲击速度的增加或胞壁厚度的减小而向冲击端集中,规则排布的蜂窝沿着局部变形带逐行压溃直至密实,而交错排布蜂窝的变形模式可分为4种。铝蜂窝吸收的能量绝大部分转化为变形所需的内能,动能所占比重较小。随着冲击速度的提高,两种排布方式的蜂窝均表现出更强的承载能力和能量吸收能力,但内能在总能量中的比重减小,动能比重增加。规则排布的蜂窝比交错排布的蜂窝具有更高的承载力和能量吸收能力,该差别主要是由于二者内能的不同所引起,且该差值在交错排布蜂窝“核区”形成后逐渐减小。     

设防爆层钢箱梁缩尺结构抗近场爆炸作用试验研究

为研究设防爆层钢箱梁抗近场爆炸作用效果,以53 g炸药当量、70 mm爆距为典型爆炸条件,开展了混凝土-单层/双层钢丝网板、5层/10层凯夫拉板及其组合为防爆层的钢箱梁缩尺结构近场爆炸试验研究。以塑性变形能为抗爆效果考查指标,8种试验工况结果表明:近场爆炸作用下无防护钢箱梁顶板会发生沿U型加劲肋的撕裂破坏及球冠状凹坑,且横隔板间距250 mm比间距150 mm的钢箱梁顶板破坏严重,变形能约高出60%;混凝土-双层钢丝网板较单层钢丝网板能降低钢箱梁顶板的变形能约2.2%;混凝土-双层钢丝网板与5层凯夫拉组合作为防爆层,顶板塑性变形能降低至无防护结构钢箱梁顶板的34.5%,混凝土-双层钢丝网板与10层凯夫拉组合作为防爆层,该数值约为32.7%。     

聚氨酯-钢板夹层正交异性桥面板试验研究

通过2个不同纵向加劲肋间距的聚氨酯-钢板夹层结构正交异性三跨连续桥面板的钢箱梁模型试验,结合有限元计算分析方法建立多种加劲肋间距桥面板的钢箱梁计算模型进行计算对比,研究该种桥面板的受力性能,试验模型按实桥同种材料的箱梁缩小1/4制作,按汽车荷载在跨中及支点截面产生最大弯矩时测试截面各关键点的纵向、横向应变和挠度。结果表明:桥面板各点应变试验值与计算值基本吻合;采用聚氨酯-钢板夹层结构正交异性桥面板可大幅削减局部应力集中峰值,从而可大幅减少加劲肋数量,减少程度主要取决于夹层板厚度;板面有些部位要同时承受两个正交方向的反号应力;相应截面中间加劲肋底部纵向应力最大;夹层桥面板的应力和挠度随着芯层厚度减小,增幅加大。     

苏通大桥钢箱梁吊装专用设备研究与应用

苏通大桥为主跨1 088 m的钢箱梁斜拉桥,钢箱梁分为5部分:辅助跨、边跨及索塔区大块梁段,悬拼标准梁段,边、中跨合龙梁段.大块梁段在工厂组拼,用大型浮吊安装.由于通航净空高,传统桁架结构吊具难以满足国内现有浮吊吊高与吊重要求,所以提出苏通大桥超大、超重钢箱梁节段轻型吊索具结构,并介绍了吊索具设计与使用要点.标准梁段采用桥面吊机悬臂安装.由于主粱节段宽且重,加上桥区恶劣的气象和水文条件,以及斜拉索长索梁端牵引需要,对桥面吊机结构和性能提出了较高要求.介绍了苏通大桥集梁段吊装和拉索安装功能为一体的桥面吊机设计与使用要点.     

钢-超高性能混凝土组合箱梁静力性能试验研究与数值模拟

以云南红河特大桥为工程背景,设计2个钢-超高性能混凝土(ultra-high performance concrete,UHPC)组合箱梁节段模型试验,主要关注组合箱梁的承载力、破坏模式和抗裂性能等。基于通用有限元软件ABAQUS建立组合箱梁的精细有限元模型,通过试验结果验证模型并开展参数分析,研究UHPC板厚度、配筋率、栓钉间距以及箱梁横隔板厚度对组合箱梁受力性能的影响,给出各参数的设计建议取值范围。研究结果表明:钢-UHPC组合箱梁承载力高、抗裂性能好;按最大裂缝宽度进行验算,等效为180 mm厚UHPC桥面板的承载力超过车辆荷载标准值的8倍;UHPC板厚度以及钢箱梁横隔板厚度对组合箱梁破坏模式影响较大;综合考虑经济性及受力性能,建议实际工程中UHPC桥面板厚度不宜超过210 mm,配筋率不宜超过1.4%,栓钉间距最大不超过450 mm。     

波形钢腹板(钢腹杆)-混凝土组合箱抗扭承载力试验与计算

为研究波形钢腹板（钢腹杆）-混凝土组合箱抗扭特性,进行了构件的抗扭承载力试验,结果表明:混凝土底板首先出现斜向裂缝,裂缝与混凝土主拉应变垂直,顶底板裂缝呈螺旋状开展,裂缝方向与主梁纵轴线约成45°;底板出现宽度较大的主斜裂缝,钢筋受拉屈服,组合箱受扭破坏。采用有限元软件ANSYS对扭转试验构件进行了非线性有限元分析,有限元分析结果与试验结果吻合良好。参照混凝土箱梁的开裂扭矩计算公式,建立了组合箱开裂扭矩的计算公式;应用混凝土箱梁变角度空间桁架理论,根据波形钢腹板（钢腹杆）-混凝土组合箱达到极限扭矩时可能出现三种破坏形式,建立了组合箱极限扭矩的计算公式。通过与试验结果和实桥截面有限元分析结果的比较表明,建立的波形钢腹板（钢腹杆）-混凝土组合箱抗扭承载力简化计算公式具较高精度,最大误差不超过10%,可运用于实桥计算。     

高强钢框架-屈曲约束支撑体系抗震性能研究

针对高强钢结构在抗震设计中存在的结构延性差、刚度小的问题,提出了高强钢框架-屈曲约束支撑结构.为研究此类结构的抗震性能,对2个足尺单榀单跨单层试件进行了拟静力加载试验,观测了结构在水平往复荷载下变形特征与破坏模式,分析了结构及构件滞回曲线特征,探讨了试件强度退化、刚度退化、塑性变形、耗能能力以及钢框架和屈曲约束支撑的承...     

铁路正交异性桥面加劲肋-横隔板局部疲劳受力特性研究

正交异性钢桥面因整体性好、承载力强等优势在铁路大跨度桁梁及箱梁斜拉桥、拱桥等桥型中应用越来越广泛,其疲劳特性与公路桥面具有显著的差异。针对铁路正交异性钢桥面加劲肋与横隔板连接处的疲劳敏感区,通过弹性支撑梁理论及闭口薄壁杆件理论分析其局部受力特征,提出了加劲肋疲劳敏感部位面内疲劳应力的解析公式,分析了解析公式中各疲劳影响因素的影响程度及作用机理。基于甬江特大桥——大跨度铁路斜拉桥的钢箱梁正交异性桥面设计了包含2个U肋及2个V肋的正交异性桥面疲劳试验模型,并进行了560万次疲劳加载。研究结果表明:解析公式与有限元分析、试验测试结果相符良好;试验模型测试结果能准确反映疲劳敏感点的应力情况,解析理论则能够反映疲劳敏感点应力的影响因素与规律;在铁路荷载下,加劲肋与横隔板的焊缝长度和加劲肋腹板倾角的增大能够有效降低加劲肋的疲劳应力幅;在铁路正交异性钢桥面板中面积相近、抗弯刚度相等的V肋比U肋具有更好的抗疲劳工作性能。     

热-力联合作用下金属薄板的变形机理研究

本文研究了恒力和激光加热作用下金属薄板的变形规律,用以解释充内压薄柱壳结构在激光辐照下的变形和破坏机理。以4340钢材料为研究对象,其本构方程选用热粘塑性本构模型(Johnson-Cook模型)根据计算结果,选取某一应变率为临界值(本文中临界应变率取为1s-1)考察了激光功率密度、外载荷、激光作用时间等对一维杆变形规律的影响。