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。     

考虑悬链线效应的约束钢梁在分布荷载作用下的性能(Ⅰ)——理论模型

约束钢梁在分布荷载作用下的变形和耗能是构件抗爆以及结构抵抗连续性倒塌研究的基础。本文提出了同时承受轴向弹簧和转动弹簧约束的钢梁在分布荷载作用下的计算模型,根据约束钢梁内力将钢梁反应分为5个阶段,采用约束系数方法和刚塑性铰模型详细推导了约束钢梁不同阶段的荷载-跨中挠度曲线计算公式。重点研究了约束钢梁由抗弯向拉弯转化并最终主要依靠拉力抵抗外荷载的过程,即钢梁在分布荷载作用下的悬链线效应问题。另一篇系列文章将通过数值算例验证本文公式的准确性。     

火灾下约束钢梁的受力性能及抗火设计方法

采用有限元方法分析了火灾下约束钢梁随温度升高时的反应并与已有的试验结果进行了验证。进一步分析了梁的轴向约束、梁端转动约束以及荷载比对约束钢梁受力性能的影响。总结了约束钢梁在火灾下的变形及轴力的发展规律。最后提出了约束钢梁的实用抗火设计方法,可供结构抗火设计时参考。     

火灾高温下受约束蜂窝钢梁悬链线效应研究

火灾下受约束钢梁大变形阶段的悬链线效应,考虑了钢梁轴向拉力对抗弯承载力的贡献,可提高钢梁在火灾下的耐火极限。相同截面高度的蜂窝梁,其抗弯刚度与实腹钢梁基本相同,但其轴向刚度却远小于实腹钢梁,因此蜂窝梁火灾下的悬链线效应与实腹钢梁有较大差别。利用有限元方法研究了具有圆角多边形孔的受约束蜂窝钢梁在火灾升温下的悬链线效应。选取荷载比、梁跨度、梁端轴向约束刚度比以及蜂窝梁的扩展比、孔洞高度为主要参数,研究了梁的轴向力、跨中挠度、端部位移以及弯矩等随温度的变化规律。与实腹钢梁相比,火灾下蜂窝钢梁的最大压力较小,更早进入悬链线效应阶段。     

冲击荷载作用下橡胶混凝土的力学性能试验研究

利用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置对橡胶颗粒含量分别为15％、30％的橡胶混凝土及普通混凝土进行冲击荷载下的动力试验,研究了橡胶含量和应变率对混凝土的破坏形态、抗压强度及能量吸收的影响.结果表明,冲击作用下橡胶混凝土的破坏程度明显小于普通混凝土,橡胶含量越高破坏程度更小,并且橡胶含量高的试件破坏程度受应变率的影...     

火灾行为下H型钢梁的极限状态分析

为了研究高温下钢梁的变形性能，使用ANSYS有限元程序建立了分析模型。计算分析了在小变形情况下粱的内力及变形；并且分析考察了由于梁挠度的增长而产生的悬链力对H型钢梁抗火承载力的影响。     

H型钢梁在爆炸荷载作用下的动力响应及破坏模式研究

本文使用有限元软件ANSYS/LS-DYNA建立H型钢梁模型,并利用CONWEP方法对其施加爆炸荷栽。分析了当炸药位于钢梁正下方时,作用在H型钢梁上的爆炸荷栽压力分布和H型钢梁在爆炸荷栽作用下的动力响应及炸药位置等参数对其动力响应的影响。得到以下结论:作用在钢梁上的爆炸荷栽最大超压峰值出现在炸药投影点处,其他点处荷载超压峰值与最大超压峰值的比值与炸药距离H和距投影点的距离R有关;在爆炸荷栽作用下,H型钢梁易发生端部剪切破坏,其塑性变形主要出现在梁端部腹板处;随着炸药靠近梁端部,使得钢梁发生端部剪切破坏时的最大比距离增大。     

冲击荷载作用下岩石动力特性的试验研究

应用高压气枪冲击试验设备对大理岩样进行了不同固体冲击速度下的冲击试验,探讨岩石类材料在冲击荷载下作用下的破坏过程和动力特性。共对9组大理岩样进行了冲击试验,试验时固体冲击速度逐渐增加,速度范围是126.2～531.9m/s。得到的初步试验结果如下:当固体冲击速度较低时,岩样整体没有崩解破碎,局部发生破碎,且随着冲击速度的增大,产生的微裂纹会逐渐增多;当固体冲击速度较高时,岩样整体发生崩解破碎,且随着固体冲击速度的增大,破碎后的岩样中细颗粒的含量增大,即随着固体冲击能的增大,岩样的破碎程度逐渐增加。     

高温下受约束钢梁的一般非线性模型

基于一般钢截面的弹塑性非离散半解析公式,提出一个新颖的数值方法,对受约束钢梁在高温下的非线性性能进行描述。模型与较大的变形位移效应以及材料的非线性相结合,用于评估曝露在室内火荷载下钢梁的性能。在温度增加时,模型考虑了屈服和悬链线作用。公式中考虑了梁截面受各种热作用情况下沿梁长方向的热梯度影响。采用经验函数,对随着温度的变化所引起的刚度退化和屈服强度进行模拟,这种方法隶属于工程力学中传统边界值问题。研究中所提出的方法与ABAQUS有限元模拟结果吻合,所提出的计算公式优于商业有限元软件包,公式可用于结构设计和评估平台。     

火灾中约束钢梁破坏过程分析

Broadgate火灾之后,考虑结构整体性的结构抗火方法得到了学术界的广泛重视。采用有限元程序ANSYS对具有梁端约束的钢梁进行了抗火分析,验证了通过有限元进行抗火分析的可靠性,提出了具有梁端约束的钢梁破坏过程,阐明了处于整体结构中的钢梁火灾下的承载机理,并给出了钢梁抗火的概念设计的建议。     

局部约束轧制H型钢柱的抗震性能研究

针对地震作用下钢抗弯框架由于H型钢柱局部屈曲所产生的破坏,提出了一种适用于地震区的钢框架结构形式:局部约束的轧制H型钢柱体系。这种结构形式通过在柱可能产生局部屈曲的部位设置附加约束,以达到延缓屈曲发展,提高柱抗震性能的目的。根据所提出的方法,通过两组共7根大比例模型柱进行了常轴力和水平循环荷载作用下的试验验证。研究结果表明,未约束H型钢模型柱在达到其最大承载力之后,由于柱底部局部屈曲不断发展,承载力下降较快;而所建议的局部约束H型钢柱,其延性及抗震耗能能力都有了较大提高。     

约束高强度Q460钢梁的抗火性能

为了研究约束高强度Q460钢梁的抗火性能,在已有约束钢梁分析理论的基础上,引入残余应力,提出了约束钢梁的抗火性能分析方法,并采用普通强度约束钢梁试验数据对分析方法进行了验证。考虑高强度Q460钢材高温下力学性能参数,利用所提出的方法分析了约束高强度Q460钢梁的抗火性能,并与普通强度Q345钢梁进行了对比。对影响约束高强度Q460钢梁的抗火性能参数进行了分析,包括荷载比、残余应力、轴向约束刚度、转动约束刚度和受火方式等。研究表明:所提出的分析方法准确可靠,高强度Q460钢梁抗火性能与普通强度钢梁具有较大的区别,高强度Q460约束钢梁的抗火性能明显优于普通强度约束钢梁。荷载比、轴向约束刚度、转动约束刚度、受火方式对高强度Q460约束钢梁有较大影响。     

钢框架加强型梁柱节点子结构的抗冲击性能试验研究

设计了采用FEMA 350过焊孔构造的1个普通栓焊连接和2个加强型（盖板和翼缘加强型）栓焊连接的钢框架梁柱节点子结构试件,对试件进行落锤冲击来模拟结构的动态倒塌过程,考察栓焊节点加强方式对钢框架梁柱节点抗冲击性能的影响。通过试验获得节点试件的破坏形态及其冲击作用和位移时程曲线,分析试件冲击作用和位移时程响应规律以及子结构动态转角和耗能变化趋势。试验结果表明：节点试件的主要破坏形态是显著整体弯曲变形和钢梁上翼缘塑性铰截面附近处受压屈曲,采用FEMA 350标准过焊孔构造的节点试件具有良好的抗冲击转动能力,3个试件的极限转角均达到了FEMA 350规范抗震设计的转角限值（普通栓焊节点为θ=0.054 rad、加强型节点为 θ=0.070 rad）要求;改进后的盖板加强型和翼缘加强型节点试件的抗冲击能力均得到显著提高,优于普通栓焊节点。通过分析冲击过程中试件截面内力发展规律可知,由于节点过早破坏,限制了悬链线效应的形成,所有试件最终还处于塑性受弯向悬链线发展阶段。     

Mechanical behaviors of T-shaped concrete-filled steel tubular columns under axial impact

为研究T形截面钢管混凝土短柱在轴向冲击荷载作用下的承载力,以及钢管内混凝土应力分布特点,将PVDF压电薄膜制作成一种可植入式压电应力传感器埋置在钢管内混凝土中,对T形截面钢管混凝土短柱进行轴向落锤冲击试验。通过PVDF电压应力传感器监测数据的转换获得钢管内混凝土应力变化规律,同时获得不同冲击高度下T形截面钢管混凝土短柱的冲击力时程曲线和抗冲击承载力。试验结果表明：T形截面钢管混凝土短柱具有较好的抗冲击性能,壁厚大的钢管混凝土柱其冲击力峰值较大,竖向变形较小、冲击持续时间较短,增加钢管壁厚可提高对混凝土的约束作用,增强钢管混凝土柱的抗冲击承载能力。     

蠕变模型对约束钢梁抗火性能分析的影响

钢材在高温和荷载作用下产生明显蠕变变形,影响火灾中结构的变形和受力性能。现有的蠕变模型较多,但没有一个广泛适用的蠕变模型。不同的蠕变模型对钢结构抗火分析结果有很大影响。为了量化蠕变模型对约束钢梁抗火性能分析的影响,对5种常用的蠕变模型进行了对比分析。采用编写的约束钢梁计算程序,分别计算5种蠕变模型下约束钢梁的抗火性能并与试验数据进行对比。结果表明,采用Norton蠕变模型的计算结果与试验数据吻合最好。最后对影响约束钢梁抗火性能参数进行了研究,研究发现,Harmathy蠕变模型对约束梁抗火性能分析结果影响最大;不同蠕变模型对不同荷载比、约束刚度下的约束钢梁抗火性能影响程度均不同。     

截面温度不均匀对受约束波纹腹板梁火灾下悬链线效应的影响

以受约束波纹腹板梁为研究对象,利用有限元模型进行了截面温度均匀和不均匀分布对轴向约束波纹腹板梁悬链线效应影响的对比分析。结果表明:由于不均匀温度下产生的热弯曲效应,约束钢梁在受压阶段的竖向挠度更大而梁内轴力更小;均匀温度受约束钢梁的临界温度比不均匀温度钢梁高6.2%;不均匀温度钢梁的温度比越小,钢梁的热弯曲效应越明显,相应的临界温度越低。     

Experimental behavior of concrete filled double steel tubular (CFDST) members under low velocity drop weight impact

Thirty-one tests under low velocity drop weight impact were carried out to examine the residual failure modes and the time history of the impact forces, global deformations and strains of concrete filled double steel tubular (CFDST) members in this paper. The parameters varied in the testing program include the column type (straight and tapered), the boundary conditions (simply supported and fixed), the axial load level and the impact energy. The results showed that all CFDST members behaved in a ductile manner and the residual deformation consisted of local deformation at the impact section, as well as the overall bending deformation. Compared to hollow double steel tubes, the CFDST members under the same applied impact energy demonstrate superior impact behavior in terms of higher energy absorbed, smaller global deformation and local deformation due to the interaction of the sandwich concrete and double skin steel tubes. The influence of key parameters on the dynamic resistance ability of CFDST is discussed.     

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。     

钢管混凝土异形柱与U形钢-混凝土组合梁穿心式连接抗震性能试验研究

为研究异形钢管混凝土柱与U形钢-混凝土组合梁穿心式连接的破坏特征和抗震性能,进行了3个足尺边节点试件低周反复循环加载试验,试验参数为节点域构造和轴压比,考察了试件的受力过程及破坏特征,分析了节点的荷载-位移滞回曲线、承载力、刚度和强度退化性能、耗能能力以及延性等力学指标。研究表明：该类型连接的典型破坏形态为节点域钢管柱壁鼓屈、节点域连接槽钢拉裂和组合楼板压溃;试件的滞回曲线较饱满;3个试件的层间位移延性系数μ为1.43~2.02,弹性层间位移角θy为1/62~1/48,弹塑性层间位移角θu为1/39~1/30,等效黏滞阻尼系数ξeq为0.140~0.170,节点的变形能力较好,也具有一定耗能能力;梁底布置贯穿节点域的钢筋能提高节点正向的承载力和刚度;提高轴压比可以提高该类型节点的耗能能力。