结构内爆炸荷载作用下钢筋钢纤维混凝土抗爆墙设计探讨

基于内爆炸原理,分析了结构内爆炸荷载的组成,提出了内爆炸荷载作用下抗爆墙的解析计算方法,对钢筋混凝土抗爆墙设计进行优化;提出将钢纤维应用于抗爆墙设计,并结合实例对钢筋混凝土与钢筋钢纤维混凝土抗爆墙进行计算对比。结果表明:准静态气体压力使结构内抗爆隔墙所受荷载比建筑外抗爆墙高出25%以上;在相同距离、相同爆炸当量条件下,钢筋钢纤维混凝土比普通钢筋混凝土抗爆墙厚度减少11%。     

HRB600级钢筋高强混凝土无腹筋梁受剪试验研究

为了解配置HRB600级纵筋的高强混凝土梁受剪性能,以纵筋配筋率、混凝土钢纤维掺量为变化参数,对5根配置HRB600级纵筋的无腹筋梁进行了受剪试验,对比分析了各试验梁的斜截面承载力、荷载-挠度曲线、裂缝宽度和破坏特征。研究结果表明:随着纵筋配筋率的提高,HRB600级钢筋高强混凝土梁的开裂荷载和斜截面极限荷载增大,斜裂缝宽度减小;钢纤维可以有效地提高高强混凝土梁的斜截面开裂荷载,限制斜裂缝的产生与发展;随着钢纤维掺量的增加,高强混凝土梁的受剪承载力增大;使用现行混凝土结构设计规范和纤维混凝土结构技术规程对配置HRB600级纵筋的高强混凝土梁和钢纤维高强混凝土梁的斜截面受剪承载力进行设计计算,其结果是偏于安全的。     

纤维高强混凝土的动态力学性能试验研究

为研究纤维高强混凝土材料在冲击荷载下的动态压缩性能,采用大尺寸φ75mm Hopkinson压杆,对三种纤维含量的钢纤维高强混凝土、PVA纤维高强混凝土试件进行了三种应变率范围的冲击压缩试验,得到了它们在较高应变率范围内的动态应力-应变关系。试验表明纤维高强混凝土材料为应变率敏感性材料,在较高应变率范围内纤维高强混凝土材料的动态应力-应变关系是与应变率相关的。纤维高强混凝土材料的破坏应力和破坏应变随应变率的增大而增大。钢纤维和PVA纤维对混凝土耗能能力的改善和提高表现在材料达到峰值应力后开始破坏的过程中。同时也对两种纤维高强混凝土材料的纤维增韧特性及耗能机理也进行了分析和探讨。     

基于零厚度粘聚力单元的钢筋混凝土板在爆炸荷载下的动态破坏过程分析

军火库或危险品仓库存在着偶然爆炸的威胁,而钢筋混凝土是这些建筑物的主要构成材料,因此研究钢筋混凝土结构在爆炸荷载下的破坏过程具有重要意义。该文基于LS-DYNA动力有限元程序,利用任意拉格朗日–欧拉（ALE）方法,以及多物质流固耦合方法对混凝土结构在爆炸荷载作用下的动态破坏过程进行研究。为了更好分析混凝土结构在爆炸荷载作用下的动力响应,采用了考虑应变率影响的钢筋和混凝土材料本构模型,并引入零厚度粘聚力单元来模拟混凝土的动态破坏过程,克服基于侵蚀算法单元删除带来的质量损失问题。该文首先介绍零厚度粘聚力单元模型的生成过程并对比试验结果,验证所建立的零厚度粘聚力单元模型的合理性。其次,对比不同爆炸荷载下基于侵蚀算法以及零厚度粘聚力单元两种不同模拟方法的模拟结果,验证基于零厚度粘聚力单元模拟的优越性。最后基于零厚度粘聚力单元模型,分析不同爆炸荷载对混凝土结构动态破坏过程以及碎片抛射的影响。     

不同荷载条件下型钢-钢纤维混凝土组合结构的界面失效机理研究

为了解决型钢混凝土结构中型钢与钢筋相互干扰、混凝土浇筑困难等施工难题,将型钢混凝土结构中的钢筋笼完全或部分替换成钢纤维,形成了型钢-钢纤维混凝土组合结构.完成了36个试件的推出试验和13个试件的四点弯试验,分别研究了型钢-钢纤维混凝土组合结构在轴心力与弯矩作用下的界面失效,分析了不同荷载条件下的内力传递与破坏机理.钢纤...     

纤维增强水泥基复合材料压剪破坏的细观实验研究

对聚丙烯纤维和钢纤维增强水泥砂浆复合材料和混凝土复合材料进行了MTS 准静态单轴压缩实验和压剪加载条件下的细观力学实验研究。比较两类纤维在这两种加载条件下的作用发现: 在单轴压缩条件下, 钢纤维作用显著, 聚丙烯纤维基本没有什么作用;在压剪加载条件下, 钢纤维在材料各个变形阶段均起明显作用, 聚丙烯纤维在加载过程中起到一定的作用, 但由于含量较少对材料的极限荷载基本没有贡献。在细观实验中, 观察到了钢纤维和碎石颗粒在材料破坏过程中脱粘与断裂的作用方式。但只是在水泥砂浆试件的局部观察到了孔洞崩塌现象, 对于其促成压缩带形成的机理尚须深入的工作。     

应力状态下离心成型钢纤维混凝土耐硫酸腐蚀研究

对1组未受侵蚀和4组不同初始拉应力状态下经受侵蚀后的离心成型钢纤维混凝土环形截面试件进行了侧压力学试验,对经受侵蚀后的试件进行了化学分析研究.结果表明硫酸的腐蚀降低了构件的极限荷载和极限变形,降低了钢纤维混凝土的弹性模量,初始拉应力的增加使腐蚀破坏进一步加剧,受拉区的硫酸根含量和中性化深度随之增加.根据试验结果分析,推导了应力状态下离心成型钢纤维混凝土中性化深度与硫酸根含量的数学预测模型.     

地下工程抗爆防震塌设计动力学机理讨论

在爆炸载荷下,反射拉应力波是导致混凝土防护结构震塌的主要原因。材料的动态抗拉强度是结构抗爆防震塌设计所必须考虑的主要参量,抑制或减弱拉伸冲击波的强度是防护结构设计的一个重要目标。研究了混凝土和钢纤维增强混凝土的动态力学性能以及它们结构的爆炸震塌响应。试验表明,高强混凝土C100的抗震塌能力还不如普通混凝土C40;加入体积含量2%的钢纤维可有效提高混凝土的强度以及结构的抗震塌能力;而且加入相同含量的钢纤维后,纤维增强C100混凝土的抗震塌能力与增强C40混凝土相比并无明显不同。应用一维应力波理论近似分析,揭示了抗震塌设计的动力学机理,分析表明,"三明治"复合层结构可以有效提高结构的抗震塌能力,此分析为设计具有更好抗爆能力的防护工程提供了科学依据。     

钢纤维超高强混凝土动态力学性能

采用分离式霍普金森压杆装置对不同纤维体积率的钢纤维超高强混凝土进行不同应变率的冲击压缩试验,结果表明钢纤维超高强混凝土是应变率敏感材料,并测出其应变率敏感阀值,当应变率超过阀值后,钢纤维超高强混凝土的强度、韧度与弹性模量都随纤维体积率的增加而显著提高,在高应变率下,超高强混凝土基体成粉碎性破坏,而钢纤维超高强混凝土呈现出“裂而不散”的破坏形态。     

爆炸荷载作用下钢筋混凝土梁破坏形态有限元分析

在持续时间较长的爆炸荷载作用下,钢筋混凝土框架或梁通常会发生常见的弯曲破坏形态,但是在持续时间较短的爆炸荷载,如化学爆炸产生的脉冲荷载作用下,钢筋混凝土结构有可能在弯曲破坏发生之前产生剪切破坏。这种现象已被室内外试验所证实,其原因是脉冲荷载激发了结构中的剪力,从而使结构产生剪切破坏。为了预报钢筋单纯凝土梁在爆炸荷载下的响应破坏形态,本文提出了一种基于Ｔｉｍｏｓｈｅｎｋｏ梁理论的非线性分层梁有限元法。在材料模型中考虑了混凝土和钢盘的右面线性和应变速率效应等因素。应用这方法,本文计算分析了爆炸荷载作用下钢筋混凝土梁的动态响应以及弯曲、弯剪和剪切等不同的破坏形态,计算预报的结构动态响应和破坏形态与现场试验结果有较好的一致性。     

内部爆炸荷载作用下钢筋混凝土板的动力响应研究

对于合理预测内部爆炸荷载作用下复杂结构的动力响应,通常需要用合适的计算方法进行直接的数值模拟。采用了考虑应变率影响的钢筋和混凝土材料的动力本构损伤模型,介绍了用爆炸流体动力学软件预测在封闭空间内发生爆炸情况下结构响应的数值模拟方法。对箱型封闭空间内0．5kg TNT爆炸荷载作用下钢筋混凝土顶板的响应进行了数值模拟研究,展示了钢筋混凝土板从混凝土开裂、钢筋断裂到板整体抛射的动态演变过程,并与试验结果进行了对比分析,内部爆炸荷载压力时程曲线、混凝土的损伤破坏和板的抛射速度与试验结果吻合较好。从中可以发现钢筋对混凝土开裂起主要抑制作用,板的开裂和碎片形成主要受脉冲压力荷载的影响,而板的抛射速度主要受气体压力荷载的控制。     

聚丙烯纤维混凝土接触爆炸破坏效应的试验和数值分析

为研究聚丙烯纤维混凝土在接触爆炸条件下的破坏形态,进行有限厚度钢筋混凝土板和聚丙烯纤维混凝土板的接触爆炸试验.采用LS-DYNA中LOAD-BLAST方法,对聚丙烯纤维混凝土的动态破坏过程进行数值模拟,分析和对比聚丙烯纤维混凝土和钢筋混凝土接触爆炸条件下破坏效应的异同,确定出聚丙烯纤维混凝土的抗爆性能系数.研究表明,LOAD-BLAST方法简单高效,数值模拟和现场试验非常吻合,聚丙烯纤维混凝土抗接触爆炸性能良好.     

低温下钢纤维混凝土断裂行为细观数值研究

为了探讨钢纤维混凝土材料在低温下的断裂行为，通过有限元分析方法，在细观层次建立了不同钢纤维体积分数(V=0.0%、0.5%和1.0%)的混凝土试块三维数值模型，分别在3个温度点下(T=20℃、-40℃和-80℃)进行了劈裂抗拉强度试验以及三点弯曲加载试验，得到了相应的破坏模式以及荷载-跨中挠度曲线。研究结果表明，混凝土的断裂能随着温度的降低呈增大趋势，且钢纤维体积分数越大，断裂能越大。而混凝土的特征长度随着温度的降低逐渐减小，但纤维的加入很大程度地增大了其特征长度。     

纤维对开裂后混凝土渗透性及裂缝恢复的影响

通过劈裂试验和渗透试验,研究了结构型钢纤维、聚丙烯粗纤维和聚丙烯细纤维对开裂后混凝土的裂缝恢复率、劈裂韧性和渗透系数的影响。研究结果表明:钢纤维和聚丙烯粗纤维的掺入可限制裂缝扩展,使混凝土由脆性破坏转为韧性破坏,提高开裂混凝土在卸载后裂缝的恢复作用,显著减小开裂后混凝土的渗透系数。钢纤维掺量越高,裂缝恢复和渗透性降低越明显,钢纤维掺量由25kg/m~3增加至55kg/m3时,渗透系数减小了87%。钢纤维和聚丙烯粗纤维的掺入具有较好的正混杂效应,当裂缝宽度为150μm时卸载,单掺25kg/m~3钢纤维和4kg/m~3聚丙烯粗纤维与单掺35kg/m~3钢纤维相比,渗透系数减小了60%。而聚丙烯细纤维对开裂混凝土的裂缝恢复和渗透性影响较小。     

钢筋混凝土路面抗爆性能研究

钢筋混凝土路面在爆炸荷载作用下会发生开裂和沉陷.为了研究路面的损坏情况,利用有限元分析软件LS-DYNA对路面上方爆炸冲击波造成的路面破坏程度和破坏模式进行了模拟.首先,通过对混凝土的光滑面帽盖材料模型在单轴和三轴应力状态下进行模拟以验证材料模型的力学性能,并数值计算了爆炸荷载下混凝土板的响应情况.数值模拟结果显示连续面帽盖模型能够很好地模拟出混凝土的力学性能,数值模拟得到混凝土路面的破坏模式能够反映出实验结果.     

爆炸荷载作用下钢筋混凝土结构的动态响应与破坏模式的数值分析

在爆炸荷载(尤其是脉冲荷载)作用下,除了常见的弯曲破坏形态之外,钢筋混凝土结构还可能发生直剪破坏和弯剪破坏。如何准确地预测爆炸荷载作用下的钢筋混凝土结构动态响应和破坏特征是当前抗爆结构领域十分关注的课题之一。该文介绍作者近年来在这方面的一些研究成果,主要有:将三参数形式的应变速率型材料模型推广应用于二维状态下的混凝土本构关系,建立了弹粘塑性混凝土结构有限元分析方法;基于Timoshenko梁理论和弹粘塑性理论,分别采用有限差分法和有限元法,建立了土中浅埋钢筋混凝土结构动力响应和破坏模式的有限差分和有限元分析方法。对爆炸荷载作用下的典型钢筋混凝土结构计算结果表明:基于Timoshenko梁理论的有限差分分析方法和有限元分析方法能较好地模拟梁的动态响应和弯曲、弯剪以及直剪的破坏模式,而二维弹粘塑性混凝土结构有限元分析方法只能较好地模拟梁的弯曲破坏模式。     

应变速率型RC梁柱显式分析单元及其在ABAQUS软件中的实现

为准确、高效地分析钢筋混凝土(RC)梁柱结构在强动载作用下的损伤破坏甚至倒塌,建立了能够描述大变形、大应变的空间纤维Timoshenko梁单元,并将其与考虑率相关效应的钢筋、混凝土材料模型相结合,通过用户显式单元子程序在ABAQUS中实现。基于所建立的应变速率型3D纤维梁显式单元,借助ABAQUS的前后处理及求解功能,对爆炸荷载作用下的RC梁柱构件的动态响应和破坏模式及RC框架结构的连续性倒塌进行分析。结果表明:建立的应变速率型3D纤维梁柱单元能够合理描述RC构件的变形特性及钢筋、混凝土的应变速率效应;可以模拟爆炸作用下RC构件的弯曲、弯剪及直剪破坏模式,以及RC框架的连续倒塌过程;将纤维梁柱单元与率相关模型相结合于ABAQUS软件提供了一种强动载作用下高效、精确的RC结构非线性分析方法。     

碳纤维布加固砌体填充墙抗近距离小当量炸药爆炸数值模拟研究

该文采用数值模拟方法对碳纤维布加固砌体填充墙抵抗近距离小当量炸药爆炸进行了研究。进行了1/2缩比的砌体填充墙爆炸实验,对文中墙体抗爆分析数值分析方法的有效性进行了检验。建立了实际墙体的有限元模型,采用LS-DYNA程序对单层和多层纤维布加固的砌体填充墙在爆炸荷载作用下的破坏形式进行了分析。研究表明:近距离小当量爆炸时,砌体填充墙的破坏主要表现为爆炸近区的砌块在爆炸荷载的驱动下,撕裂纤维布向后以较高的速度飞散运动;纤维布的破坏主要表现为横向拉伸应力超过强度极限而产生拉伸断裂,并由爆炸近区分别沿水平和垂直方向向周围发展;当纤维布层间粘结能力有限时,难以发挥纤维方向抗拉强度高的优点。     

爆炸荷载下钢管混凝土构件动态响应的数值模拟与试验验证

通过数值模拟和试验两种方法对爆炸荷载下钢管混凝土构件(CFST)的动态响应进行研究.首先基于LS-DYNA非线性有限元分析软件,采用多物质流固耦合方法,建立爆炸荷载下CFST数值模型;其次,设计三根钢管混凝土试件的爆炸罐内近距爆炸试验,并基于试验结果对数值模型的有效性及合理性进行了验证;最后总结爆炸荷载作用下CFST的破坏规律,并通过参数化分析方法,研究核心混凝土强度与钢管厚度对CFST抗爆性能的影响.结果表明:数值模拟方法能够有效合理地反应CFST在爆炸荷载作用下的动态响应,对比爆坑深度和测点加速度的模拟结果与试验结果,误差均在10％以内;近距离爆炸荷载下,CFST结构的破坏形式可分为4个阶段:迎爆面破坏、跨中弯曲变形、端部受拉、振动阶段;提高核心混凝土强度和增大钢管厚度都能改善CFST的抗爆性能,核心混凝土等级为C50、C70、C80的构件背爆面中心位置位移最大值相比于C30等级分别减小了2.3％、4.3％、5.3％,钢管厚度为4 mm、5 mm、6 mm的构件相比于3 mm钢管背爆面中心位置位移最大值分别减小了17.0％、28.6％、37.4％,钢管厚度对结构抗爆性能的改善效果更为明显.     

典型地铁车站柱在爆炸荷载作用下损伤评估方法研究

随着恐怖爆炸袭击威胁增加,地铁内部发生爆炸概率增大。地铁车站柱作为主要承载构件,当其遭受近距离爆炸荷载作用后,需要对其进行爆炸荷载作用下的损伤评估,评价其损伤等级进而进行整体结构安全性鉴定。利用有限元分析方法,建立"炸药-空气-混凝土柱"耦合分析模型,通过已有试验验证了模型适用性。提出了基于承载能力的地铁车站柱的损伤评估方法,将地铁车站柱损伤破坏分为不同损伤等级,对典型地铁车站柱在不同炸药作用下的损伤进行了评估。利用耦合计算模型和评估方法,可以实现对钢筋混凝土地铁车站柱在近距离内爆炸荷载作用下的损伤评价和抗爆设计。