侧向冲击作用下钢管混凝土柱动力响应 试验研究及计算方法

为了揭示钢管混凝土柱在侧向冲击荷载作用下的破坏机理,完成了7个钢管混凝土柱和1个部分填充钢管混凝土柱以及1个空钢管柱的水平横向冲击试验,考虑了冲击速度、冲击质量、冲击能量以及柱端约束等关键因素对钢管混凝土柱侧向冲击动力响应的影响。结果表明：与空钢管柱比较,钢管混凝土柱和部分填充钢管混凝土柱在侧向冲击荷载下的抗冲击承载力、抗变形能力提高显著;一端固支一端简支的钢管混凝土柱易发生受剪破坏,而悬臂柱则发生根部弯曲破坏;钢管混凝土柱的冲击力和残余位移均随着冲击速度、冲击能量的增大而显著增大。结合现行钢管混凝土结构设计规范,通过引入动力放大系数R和能量吸收比k提出了钢管混凝土结构柱抗冲击承载力计算方法,并明确了系数R与k的取值方法。     

钢管混凝土梁在侧向冲击荷载作用下动力响应的试验研究和数值模拟

钢管混凝土构件和其他材料的结构构件一样,在役期间不可避免地要受到意外撞击,为了了解其破坏过程进而为结构设计提供理论依据,对套箍系数分别为1、1.15和1.9的两端简支钢管混凝土梁在不同侧向冲击能作用下的动力响应进行试验研究和仿真分析。动载试验在DHR-9401落锤式冲击实验机上进行,试验过程中通过力传感器和应变片记录冲击力时程曲线和试件特定位置的应变时程曲线,试验结束后测量试件整个跨度范围内的侧向位移,获得试件残余变形模态。利用ANSYS/LS-DYNA软件,采用PLASTIC-KINEMATIC和SOIL-CONCRETE材料模型分别模拟钢管和其核心混凝土材料,对试验过程进行数值模拟,得到的跨中挠度和冲击力时程曲线与试验结果非常一致,进而对试件的应变变化情况进行深入的研究,给出钢管混凝土试件的临界破坏状态。研究结果表明,套箍系数是影响构件临界破坏能量的一个最重要的因素,临界破坏能是套箍系数的二次函数。     

近爆荷载作用下PC柱动力响应及破坏模式数值模拟研究

随着装配式建筑在我国的推广应用越来越广泛,装配式构件在爆炸荷载下的性能值得深入研究.利用LS-DYNA显示动力分析软件对PC柱在近爆荷载下的动力响应及破坏模式进行数值模拟分析.计算了PC柱在8 kg TNT爆炸当量,爆炸距离(TNT炸药中心至结构表面)为0.6 m,比例距离为0.3 m/kg1/3动力响应,分析轴压比、混凝土强度等级、截面惯性矩以及箍筋、纵筋配筋率对PC柱抗爆性能的影响,并与普通RC柱进行了对比研究.研究发现,有无轴压比对PC柱的抗爆性能影响很大,存在轴压比的时,PC柱的侧向位移明显较小.提高混凝土等级,增大截面惯性矩以及增加纵筋配筋率均可提升PC柱抗爆性能,箍筋配筋率影响较小.在相同模拟工况下,RC柱与PC柱破坏形式有所不同,PC柱表现出了更好的抗爆性能.     

钢管混凝土构件在冲击荷载作用下的模拟分析

运用LS-DYNA显示有限元程序,分析了钢管混凝土构件受到侧向冲击物冲击时,钢管混凝土的挠度与冲击部位、冲击能量、含钢率、混凝土等级之间的关系,建立了挠度和冲击能量之间的关系式以及冲击部位不同时挠度之间的关系.     

轴向冲击荷载作用下钢管混凝土短柱有限元分析

利用ANSYS-DYNA进行了钢管混凝土短柱抗冲击性能有限元分析研究,通过分析应力、应变时程曲线,获得对其抗动力冲击性能的了解。构件受力时,外围钢管的应力远远大于内部混凝土的应力;试件应力、应变时程曲线表现出典型弹塑性材料的性质,数值增加到最大值后递减,最终形成残余应力、应变。结果表明,钢管混凝土具有良好的抗冲击力学性能,即具有较高的强度和屈服后承载能力,以及良好的塑性变形能力。     

冲击荷载下钢管混凝土桩林动力性能试验研究

为有效地抵抗泥石流大块石冲击,提出了一种钢管混凝土桩林拦挡坝。为了研究该结构在冲击荷载作用下的动力性能,对其进行了考虑多工况的冲击荷载作用的试验研究。通过分析结构的应变、位移和加速度,总结了结构的响应模式,并与数值模拟进行对比。结果表明,结构的典型响应模式可以概括为以下几种:构件轻微损伤、构件局部破坏、连接节点破坏;随着冲击能量和冲击高度的增加,结构的应变和位移均增大;结构的加速度随冲击高度的增加而增大,而随冲击物质量的增加而减小;整个冲击过程从冲击区响应至整体结构响应耗时很短,约为0.6ms;桩管受冲击时结构能发挥良好的整体耗能作用,而撑管受冲击时整体结构耗能作用不明显;试验结果与数值模拟吻合较好;钢管混凝土桩林具有良好的抗冲击性能。     

FRP钢管混凝土柱抗爆性能数值模拟

为研究FRP钢管混凝土柱(CFST)的抗爆性能,建立了比例距离为0.28 m·kg^-1/3时爆炸荷载下纤维增强复合材料(FRP)钢管混凝土柱的数值模型。运用LS-DYNA非线性有限元程序中的高能爆炸材料模型及状态方程来施加爆炸荷载,采取多物质流固耦合方法进行数值模拟,通过试验数据验证了该模型的合理性。通过数值模拟展示了FRP钢管混凝土柱的位移时程及钢管、混凝土、FRP的等效应力变化,分析了其变化规律与分布特征。此外,通过改变相应参数研究了FRP层数、钢管屈服强度及混凝土强度对FRP钢管混凝土柱的影响程度。结果表明:FRP的约束可以有效提高钢管混凝土的抗爆性能,其易损部位主要发生在柱中及柱两端; 增加FRP层数,提高钢管屈服强度和混凝土强度均可提高柱的抗爆性能; 建立的模型可以进一步推广到不同比例距离、不同截面形状的FRP钢管混凝土柱抗爆研究,同时为FRP钢管混凝土抗爆设计提供了一定依据。     

钢管混凝土短柱在轴向冲击荷载下的动力分析

通过有限元计算软件,分析了在冲击荷载作用下钢材强度、混凝土强度以及含钢率对钢管混凝土短柱承载力强度的影响,对沿试件长度方向试件的径向位移进行了分析,并对试件进行了变质量分析,得出钢管混凝土试件在材料、尺寸确定的情况下承受轴向荷载时,位移主要由冲击能量决定。     

冲击作用下型钢混凝土柱动力响应分析

为研究型钢混凝土柱在冲击作用下的动力响应,基于有限元软件LS-DYNA建立了型钢混凝土柱的数值模型,对型钢混凝土柱的损伤演化过程进行研究,针对冲击位置的时程曲线分析其动力响应,并通过参数分析研究了柱身动力响应对不同参数的敏感性。研究结果表明,在冲击作用下型钢混凝土柱的破坏模式为局部剪切型;混凝土的塑性破坏主要发生在冲击位置斜向下45°至柱底;由于冲击体在撞击过程中发生回弹,型钢混凝土柱在整个撞击过程可分为受迫振动阶段和自由振动阶段。     

Experiment and FEA of impact resistance of CFST columns with circular cross-section

为研究钢管混凝土柱在侧向冲击荷载作用下的受力性能,通过对圆钢管混凝土柱进行横向落锤冲击试验,获得柱在冲击荷载作用下的破坏形态、整体变形和应变分布规律,分析了冲击力和试件跨中挠度时程曲线的特征;并通过有限元分析,研究了钢材和混凝土强度等参数对圆钢管混凝土柱力学性能的影响。研究结果表明：在试验参数范围内,随着冲击能量的增加,试件冲击力峰值、跨中挠度峰值、冲击持续时间增加;含钢率较大试件的冲击力峰值和冲击力平台值较大,跨中挠度峰值较小、冲击持续时间较短;钢材屈服强度对试件抗冲击性能的影响较大,而混凝土抗压强度对试件抗冲击性能的影响则相对较小。     

粉质粘土路基冲击压实动力响应数值模拟研究

依托实际工程,应用有限差分软件FLAC 3D分层建立高速公路粉质粘土路段路基模型;通过在路基模型顶面施加1次动力荷载和施加不同次数动力荷载,对路基模型的动力响应进行数值模拟分析,研究了冲击作用下动应力、竖向位移沿深度和径向距离的变化规律。结果表明:冲击轮冲击路基表面破坏土体结构,从而使路基土体密实,冲击碾压加固路基效果显著;土体中加固区近似为椭球体,其剖面为椭圆形;土体中动应力、竖向位移沿径向的衰减速度大于竖向的衰减速度,径向的影响宽度小于竖向影响深度;当冲击压路机保持正常的工作速度12 km·h^-1,路基填筑高度为1 m时,冲击碾压次数宜在20次左右。     

侧向冲击荷载作用下圆钢管混凝土柱力学性能分析

为研究侧向冲击荷载作用下圆钢管混凝土柱的力学性能,运用大型有限元分析软件ABAQUS进行数值模拟.综合分析了冲击荷载作用下圆钢管混凝土柱的冲击力曲线和变形特征,同时考察了冲击速度、构件尺寸和钢管壁厚等参数对圆钢管混凝土柱力学性能的影响.研究结果表明:随着冲击速度的增加,构件的冲击力峰值和最大变形都有所增加;当构件尺寸一...     

侧向冲击作用下圆钢管混凝土构件的数值模拟分析

首先利用LS—DYNA程序对一圆钢管混凝土构件落锤冲击试验进行数值模拟;然后对1根两端固支的钢管混凝土构件在侧向冲击作用下的动力响应进行分析,模拟过程中混凝土采用能较好模拟复杂试验结果的CONCRETE_DAMAGE_REL3模型,钢管采用随动硬化模型,同时通过共用节点方法模拟钢管和混凝土之间的相互作用,通过面面接触方式模拟冲击体与构件之间的接触作用;最后对两端固支的钢管混凝土构件在不同条件下的动力响应进行比较和分析,得到了冲击体动能、冲量对构件变形、支座和跨中内力的影响。结果表明：试验结果与数值模拟结果符合较好,采用该数值模拟方法可以很好地模拟圆钢管混凝土构件在侧向冲击荷载作用下的动力响应。     

车辆撞击作用下RC桥墩动力响应

采用LS-DYNA建立了钢筋混凝土(RC)桥墩水平撞击有限元模型,简要介绍了有限元建模技术及相关参数的取值,并通过与水平撞击试验结果进行对比,验证了目前较为常用的2种混凝土本构模型和钢筋本构模型的有效性,进而验证了有限元结果的有效性,并进一步研究了桥墩在等代车辆撞击作用下的破坏机理,分析了与桥墩动力响应和损伤程度有关的影响参数。结果表明:对于水平撞击试验而言,采用MAT_SCHWER_MURRAY_CAP_MODEL(145^#)混凝土和MAT_PLASTIC_KINEMATIC(3^#)钢筋材料模型构建的有限元模型能够更加准确地反映RC桥墩在等效车辆撞击作用下的动力特性、剪切破坏模式和损伤分布; 在等代车辆撞击作用下,混凝土的损伤累积主要集中于墩底剪切带处,而桥墩其他部位的混凝土未出现明显损伤累积; 参数分析结果表明,增大撞击质量能够显著增大撞击荷载峰值、桥墩变形和损伤程度; 提高撞击位置会使桥墩破坏模式由局部剪切破坏转变为整体弯曲(或弯剪)破坏; 在相同撞击冲量下,撞击荷载峰值、桥墩变形和耗能会随撞击速度增加而增大。     

Experimental study on dynamic response of box concrete-encased CFST columns under lateral impact

为研究箱形钢管混凝土叠合柱抗冲击性能,利用自主研发的落锤式试验机进行了箱形叠合柱冲击试验,研究了边界条件、冲击高度和轴压比对冲击力时程、跨中位移、应变时程以及破坏形态的影响。试验结果表明：箱形叠合柱在冲击荷载作用下发生弹塑性破坏;随冲击高度的增加,冲击力时程曲线由两段式发展为三段式,柱破坏形态表现为外层混凝土开裂且剥落明显,但内部钢管混凝土跨中冲击部位钢管无局部屈曲;两端固定时的抗冲击性能较两端简支时增强;而轴力对其动力响应影响不显著。     

冲击荷载作用下热轧H型钢梁数值模拟研究

为了研究热轧H型钢梁在冲击荷载作用下的力学性能与破坏形式,对H型钢梁的冲击试验建立精细化有限元模型,再与试验结果进行对比,验证有限元模型的准确性。基于有限元模型分析冲击荷载作用下钢梁的荷载重分布和内力变化。之后开展拓展参数分析,研究钢材强度、锤头几何形状、有无局部加固、冲击位置、边界条件对钢梁抗冲击性能的影响。结果表明:冲击荷载作用下,钢梁出现局部屈曲,并在响应结束阶段承受不对称剪力,其主要破坏形式为局部屈曲和扭转变形; 提高钢材强度,相应钢梁整体抗冲击性能得到增强; 改变锤头几何形状,导致接触刚度改变,冲击力时程曲线出现变化; 在冲击区设有局部加固可以提高冲击区的刚度以及稳定性,钢梁抗冲击能力得到提升; 当冲击位置靠近支座时,冲击力出现至支座反力出现的时间间隔缩短,钢梁能更好地抵抗冲击荷载造成的破坏; 当钢梁边界条件由铰接改为刚接时,由于钢梁长度增加受惯性荷载影响增大,并且由于支座对梁体约束减弱,冲击力整体大幅降低,梁跨挠度增大。     

侧向撞击作用下钢筋混凝土柱动力响应的有限元分析

基于ANSYS有限元分析软件,对钢筋混凝土柱在侧向撞击作用下的动力响应进行了数值模拟分析。运用参数化分析方法,研究了截面惯性矩、混凝土抗压强度、纵筋配筋率和箍筋间距等参数对钢筋混凝土柱中节点位移的影响。计算结果表明:增加纵向配筋率与截面尺寸可以显著降低柱中节点位移,而增加箍筋配筋率的效果不明显。