复式空心钢管混凝土柱抗爆性能及损伤研究

通过爆炸试验,对复式空心钢管混凝土柱抗爆性能及损伤程度进行研究,并结合所得试验数据进行数值模拟,分析并建立柱的损伤评估准则。结果表明:在折合距离为0.14m/kg~(1/3)试验条件的爆炸荷载作用下,复式空心钢管混凝土柱迎爆面柱中发生了明显的塑性弯曲变形;柱迎爆面压力峰值柱中最高、柱底次之、柱顶最小,且爆炸冲击波对迎爆面柱中造成的破坏最为强烈、柱底次之、柱顶最小;柱端部节点强度与构件整体强度协调对提升复式空心钢管混凝土柱的抗爆性能尤为重要。最终建立了基于固端约束下复式空心钢管混凝土柱中挠度的超压-冲量(P-I)损伤准则及判定公式。     

爆炸荷载下钢管混凝土墩柱柱面压力分布研究

通过两次TNT药量分别为3 kg和50 kg的大比例钢管混凝土墩柱静爆试验,1次TNT药量为50 kg的自由场静爆试验,获得了钢管混凝土墩柱柱面爆炸荷载的压力分布规律,对比研究了各经验公式(入射压力、反射压力和正压持时等)的预测差异与适用性。结果表明:钢管混凝土墩柱迎爆面负压区及背爆面压力值较小,可忽略不计;钢管混凝土墩柱对迎爆面反射压力有一定影响,但对正压冲量影响较小;当比例距离z3 m/kg1/3时,球形爆炸波与半球形爆炸波入射压力的各预测公式结果近似,反射压力与入射压力的平均比值约为2.5;当比例距离z3 m/kg1/3时,反射压力与入射压力的比值变化率随比例距离的减小而增大;反射压力经验公式预测离散程度较大,Henrych公式和Chengqing Wu公式的预测结果偏小;整体上,采用TM5-1300预测作用在钢管混凝土墩柱上的各爆炸荷载特征参数较为合理。     

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.     

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。     

标准火灾后钢管RPC柱抗近距离爆炸荷载的试验研究

利用野外抗爆试验场对4根大比例标准火灾后的钢管活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete FilledSteel Tubular,简称钢管RPC）柱进行了抗近距离爆炸试验研究,探讨了恒定轴向力条件下比例距离和受火时间对柱动力响应和破坏形态的影响。结果表明:标准火灾下钢管仍可以有效约束RPC芯柱,限制了RPC的高温爆裂,表现出良好的抗火性能。爆炸作用下火灾后钢管RPC柱的相对位移均超过2.0%,均达到了其屈服状态。当比例距离由0.58 m/kg1/3减小到0.48 m/kg1/3时,钢管RPC柱出现由弯曲变形过渡到弯剪变形的趋势。随着受火时间增加,钢管RPC柱跨中出现明显的塑性变形,最大位移和残余位移均显著增大,发生典型的弯曲破坏。与比例距离相比,钢管RPC柱的抗爆能力对受火时间更为敏感。采用LS-DYNA软件对试验结果进行了数值模拟,模拟结果与试验结果吻合较好。     

火灾后钢管RPC柱抗爆性能试验研究

为研究钢管活性粉末混凝土(钢管RPC)柱火灾后的抗爆性能。通过4根大比例钢管RPC柱试件的野外抗爆试验,得到了冲击波反射压力和钢管RPC柱的位移、应变时程曲线,分析了不同受火时间和比例距离对火灾后钢管RPC柱抗爆性能的影响。结果表明:钢管RPC柱具有良好的抗爆性能,受火后的钢管RPC柱在爆炸荷载作用下钢管仍能有效约束RPC,但随着受火时间的增加钢管RPC柱的抗爆能力减弱。未受火的钢管RPC柱在比例距离为0.58 m/kg~(1/3)的爆炸荷载作用下基本处于弹性状态;受火60 min的钢管RPC柱仍具有较好的变形性能和抗剪能力,但当比例距离由0.58 m/kg~(1/3)减小到0.48 m/kg~(1/3)时,试件出现由弯曲破坏过渡到弯剪破坏的趋势;受火105 min的钢管RPC柱变形性能显著下降,在比例距离为0.58 m/kg~(1/3)的爆炸荷载作用下跨中处出现明显的塑性铰,跨中最大位移和残余位移分别比受火60 min的工况增加0.4倍和1.6倍,说明受火时间对火灾后钢管RPC柱的抗爆性能有较大影响。     

近场爆炸时混凝土桥墩的动力响应分析

为研究爆炸荷载作用时混凝土桥墩的动力响应,基于爆炸基本理论,开展近爆作用下混凝土桥墩的数值模拟与破坏模式研究,并通过方柱墩与圆柱墩对比、墩柱配筋方式与爆心位置变化等分析墩柱底部的水平位移和水平速度时程变化,进而研究墩柱的抗爆性能与破坏形态。研究结果表明:同等条件下圆形墩柱的抗爆能力要优于方形墩柱;爆炸荷载作用下墩柱纵向主筋的配置可改变墩柱的破坏形态,且墩柱底部的抗剪能力主要靠纵向主筋提供,箍筋的抗爆作用有限;近场爆炸时地基对墩柱底部的约束作用明显,进行墩柱抗爆设计时,可以结合基于性能的抗震理论实现墩柱底部的塑性铰设计。     

方形中空夹层钢管超高性能钢纤维混凝土柱抗爆性能数值模拟与实验验证

建立了爆炸荷载作用下方形中空夹层钢管超高性能钢纤维混凝土(Ultra-High Performance Steel Fiber Reinforced Concrete Filled Double Skin Steel Tube,UHPSFRCFDST)柱动态响应及其损伤破坏三维有限元数值模型。首先通过模拟结果与爆炸破坏试验结果的对比分析,验证了数值模型和计算方法的有效性。进而运用参数化分析方法,研究了空心率、含钢率、内、外层钢管厚度及其强度等关键参数对UHPSFRCFDST柱抗爆性能的影响。研究结果表明,UHPSFRCFDST柱具有优越的抗爆性能,所建立的三维有限元模型能够有效地分析UHPSFRCFDST柱在爆炸荷载作用下的动态响应及其损伤破坏;在一定范围内减小空心率及提高外层钢管强度可有效提升UHPSFRCFDST柱抗爆性能;提高含钢率、减小内、外层钢管高厚比均能够显著提升UHPSFRCDST柱抗爆性能;内层钢管强度对UHPSFRCFDST柱的抗爆性能影响并不明显。     

火灾后钢管RPC柱抗爆动力响应数值模拟研究

动力多灾害作用下工程结构防护问题已成为当前研究的热点,采用LS-DYNA软件对ISO-834标准火灾后的钢管RPC柱抗爆动态响应全过程进行了模拟。首先采用ANSYS软件模拟钢管RPC在高温作用下的温度场分布,进一步得出钢管和核心混凝土的残余强度,在此基础上分别用弹塑性模型和KC模型描述钢管和RPC的本构关系。结合试验研究,采用参数化分析方法研究了荷载参数(受火时间、比例距离、轴向荷载)、几何特征参数(含钢率、长径比)和材料性能参数(钢材强度)对火灾后钢管RPC柱抗爆性能的影响规律。结果表明:数值模拟结果和试验结果吻合良好,说明本文模拟方法可以合理刻画火灾后钢管RPC柱抗爆动力行为。受火后的钢管RPC柱在爆炸荷载作用下钢管仍能有效约束核心RPC,柱的破坏形态以弯曲破坏为主,表现出良好的抗爆性能。高温作用导致钢管混凝土强度裂化,刚度降低,爆炸作用下构件变形明显增大;减小比例距离引起构件中部出现更明显的变形,且支座处有剪切破坏趋势。     

火灾后钢管RPC柱近距离爆炸残余承载力研究

对梁-柱构件的轴向力和侧向爆炸荷载进行适当简化,提出了一种基于等效单自由度方法的近距离爆炸分析模型。首先对标准火灾和爆炸作用后的钢管活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete Filled Steel Tubular,简称钢管RPC）柱初始挠度进行估算,然后结合钢管混凝土统一理论给出残余承载力计算公式并对钢管RPC柱的爆炸损伤进行评估。通过大比例模型试验研究了标准火灾后钢管RPC柱的近距离爆炸残余承载力,分析受火时间和爆炸比例距离对残余承载力和破坏形态的影响。结果表明:理论计算结果与试验数据吻合较好,验证了该文计算模型的可靠性。钢管RPC柱的残余承载力损失范围为16%~67%,火灾和爆炸作用对钢管RPC柱承载力产生了不同程度的毁伤,且残余承载力对受火时间更为敏感。其中,仅受火105 min的钢管RPC柱承载力下降60%,而仅遭受爆炸作用的承载力下降16%;经历火灾作用再遭受爆炸荷载的钢管RPC柱承载力损失高达67%。对5根钢管RPC柱进行爆炸损伤评估: 1根为轻度破坏,2根为中度破坏,2根为重度破坏,表明钢管RPC柱具有良好的抗火性能和抗爆性能。     

钢板夹泡沫铝组合板抗爆性能数值模拟

鉴于泡沫铝材料良好的吸能特性和三明治型组合构件在强度、刚度上的优势,通过有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA对钢板-泡沫铝-钢板三明治型组合板进行了装药量为10.0kgTNT的非接触爆炸数值模拟,考察组合板在爆炸荷载作用下的动力响应。研究表明:钢板夹泡沫铝组合板承受爆炸冲击波荷载时,响应方式主要为组合板整体弯曲变形和泡沫铝芯层局部压缩变形,芯层压缩变形是组合板吸收耗散能量的主要途径;适当地增加泡沫铝芯层厚度和面板厚度能够提高组合板的抗爆性能,同时使组合板充分发挥耗能作用。     

钢管直径对T形截面钢管混凝土芯柱的抗爆性能影响研究

研究钢管直径这一参数的变化对T形截面钢管混凝土芯柱抗爆性能的影响。通过非线性有限元分析软件ABAQUS对钢管直径不同的T形截面钢管混凝土芯柱在爆炸荷载作用下的动力响应进行了数值模拟。比较了普通T形钢筋混凝土异形柱和T形钢管混凝土芯柱抗爆性能的差异。通过变化钢管直径,得到钢管直径的变化对T形钢管混凝土芯柱抗爆性能的影响。研究表明:T形钢管混凝土芯柱的抗爆性能优于普通T形钢筋混凝土异形柱;T形钢管混凝土芯柱的抗爆性能随钢管直径的增大而加强。     

钢筋拼接GFRP管混凝土组合构件的轴压性能试验研究

钢筋拼接GFRP管混凝土组合构件是利用在2个独立的GFRP管连接处的内部设置一定长度钢筋笼,再在内部浇注混凝土,而形成的一种新的连续GFRP管混凝土组合构件。近年来,不少国内外研究人员对连续GFRP管混凝土构件的力学性能做了一些研究,而对拼接GFRP管混凝土构件的力学性能研究较少,所以,有必要借助试验,研究其力学性能。该文主要对钢筋拼接GFRP管混凝土组合构件的轴压性能进行了一定的试验研究,试验结果表明,在荷载达到60%Pu(Pu-极限荷载)左右时,GFRP管开始发挥“套箍”作用,拼接试件破坏位置不同于连续试件发生在一定范围内,而是发生在距连接处一定距离,并且,钢筋连接件的箍筋对混凝土起到约束作用。此外,试件破坏时纵筋均屈服,且纵筋对连接处的变形基本没有影响,拼接试件连接处均未破坏,说明采用低含钢率1.96%即可保证拼接GFRP管轴心受压组合构件正常工作。     

Experimental study on hybrid CFRP-PU strengthening effect on RC panels under blast loading

Recently, fiber reinforced polymer (FRP) usages for strengthening RC infrastructures have been continuously increasing. Especially, the use of FRPs to strengthen structures against a blast terror or an impact accident is receiving great interests from specialists in the structural retrofitting and strengthening field. In order to achieve better protections from blast or impact loading, a new retrofit composite material has been proposed by combining highly stiff and strong material of carbon fiber reinforced polymer (CFRP) with highly ductile material of Polyurea (PU). The combination of CFRP and PU can result in a retrofit composite with enhanced stiffness and ductility properties as well as fragment catching characteristic. To estimate the hybrid composite’s blast resistant capacity, nine 1000 × 1000 × 150 mm RC panel specimens retrofitted with either CFRP, PU, or hybrid composite sheets were blast tested. The blast load was generated by detonating a 15.88 kg ANFO explosive charge at 1.5 m standoff distance. The data of free field incident and reflected blast pressures, maximum and residual displacements, and steel and concrete strains, etc. are measured from the test. Also, the failure mode and crack patterns were evaluated to determine the failure characteristic of the panels. The results from the experiments showed that the hybrid composite has better blast resistant capacity than ordinary retrofit FRPs. The study results are discussed in detail in the paper. The test results will not only provide blast resistant capacity of each retrofit material, but they will be valuable backup data for preliminary estimation of RC structural members’ blast protection performances.     

具有PBL加劲的方钢管混凝土构件受弯性能

为研究具有PBL加劲的方钢管混凝土构件的受弯性能,该文进行了无加劲肋、钢板加劲肋和PBL加劲肋三种方钢管混凝土构件受弯性能的试验研究,同时考察PBL加劲肋孔径大小和间距的影响,试验结果表明,无加劲肋构件为单波鼓曲破坏,钢板加劲肋和PBL加劲肋构件均为双波鼓曲破坏;PBL加劲肋试件管内受拉混凝土裂缝分布更为均匀,裂缝宽度和间距更小,钢管与混凝土共同受力更好;PBL加劲肋对方钢管混凝土抗弯承载力提高不明显,抗弯刚度提高约20%;钢板加劲肋是否开孔对试件的刚度影响不大。该文还进行了PBL加劲肋构造参数的影响分析,结果表明:具有PBL加劲的方钢管混凝土构件抗弯承载力随着PBL加劲肋高度、宽度的增加而增加,随着开孔孔径d₀的增大而减小;开孔间距对承载力的影响很小。在试验研究和数值分析基础上,提出了具有PBL加劲的方钢管混凝土构件抗弯承载力的简化计算方法,建议在实际工程中,相对开孔孔径和间距分别取0.5和2.0为宜。     

螺旋筋约束增强钢-混凝土组合方柱偏压性能及承载力计算

为研究复合约束效应对螺旋筋约束增强钢-混凝土组合方柱偏压性能的影响,设计并完成了30个螺旋筋约束增强钢-混凝土组合方柱(15个角钢试件、15个钢管试件)的偏心受压试验,观察了试件的破坏过程及模式,获取了荷载-跨中挠度曲线和荷载-应变曲线,对比分析了各变化参数对试件偏压性能指标的影响,并讨论了复合约束下2类组合柱的刚度退化规律。结果表明：组合柱偏压破坏模式分为大、小偏压破坏;内置螺旋筋可显著提升钢-混凝土柱的偏压承载力和变形性能,抗弯刚度也有所改善,但过密布置螺旋筋将导致组合柱的承载力和抗弯刚度提升程度下降;增大螺旋筋径宽比和角钢/钢管纵向配钢率能显著增大组合柱的承载力和抗弯刚度,但纵向配钢率对变形性能的影响远小于螺旋筋配箍率;螺旋筋间距减小及径宽比增大可减缓组合柱的刚度退化速率;此外,复合约束效应对角钢混凝土柱偏压性能的改善显著优于钢管混凝土柱;基于压溃理论推导的组合柱偏压承载力解析公式的计算结果与试验结果吻合较好。     

中低加载速率下BFRP筋-混凝土粘结性能研究

BFRP(basalt fiber reinforced polymer)筋是一种取代钢筋用于土木工程领域的新型纤维复合材料,中低加载速率下BFRP筋-混凝土粘结性能是保证其协同作用承受动荷载的重要前提。该文根据正交试验方法设计了16组粘结试件,利用MTS试验系统对不同加载速率(0.005 mm/s~5 mm/s)下的BFRP筋-混凝土试件进行了中心拉拔试验,研究了加载速率、混凝土强度及BFRP筋直径等因素对粘结性能的影响。在现有粘结强度计算模型的基础上,对粘结特征参数进行了修正,提出了中低加载速率下的BFRP筋-混凝土动态粘结强度计算公式,进一步建立了BFRP筋-混凝土粘结滑移本构关系模型。结果表明:BFRP筋-混凝土粘结试件主要发生拔出破坏与劈裂破坏,粘结滑移过程可分为滑移段、下降段和残余段;粘结强度随加载速率和混凝土强度的增大而增大,而随纤维筋直径的增大却显著减小;理论计算结果与试验结果吻合良好,为预测中低加载速率下BFRP筋-混凝土粘结性能提供了一种有效手段。     

方钢管混凝土柱节点的试验研究及非线性有限元分析

基于方钢管混凝土柱内隔板式节点及外加强环式节点的低周反复荷载试验,在合理选择材料本构关系、破坏准则的基础上,采用通用有限元软件ANSYS对方钢管混凝土柱内隔板式节点和外加强环式节点进行了单调加载及循环加载作用下的受力性能分析。有限元分析得出的荷载-位移曲线及剪力-剪切变形曲线与试验结果吻合较好。在此基础上对外加强环式节点进行了参数分析,研究了方钢管混凝土柱的轴压比、宽厚比、核心混凝土强度及混凝土楼板高度对节点受力性能的影响,结果表明轴压比、宽厚比的影响较大。     

Strength and Failure Modes of Hoop Wound CFRP Tubes Under Compressive High Rates of Loading

A study was undertaken to investigate the response of hoop wound carbon fibre reinforced plastic (CFRP) tubes to dynamic compressive loading at strain rates in the range of 5–200/sec. An experimental rig was designed and built to test short tubular specimens under external radial pressure with minimum end constraints. The load was applied by detonating a small explosive charge inside a water filled, steel, cylindrical chamber enclosing the test specimen. For each test the external pressure and the strains, in both circumferential and longitudinal directions, were recorded on suitable digital processing equipment. Two distinct modes of failure were identified; material and structural (buckling). The mode of failure was dependent on the rate of loading and the tube diameter/thickness ratio. For 100 mm diameter tubes with diameter/thickness=40, buckling failure dominated at strain rates below 10/s. However, at higher strain rates, material failure and a considerable enhancement in burst strength was observed. For 100 mm diameter tubes, with diameter/thickness=80, a buckling mode of failure was in evidence in all the tests, irrespective of the rate of loading.R. Ahmad: Presently at School of Mechanical Engineering, University Sains Malaysia, Pulau Pinang, Malaysia.