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。     

侧向爆炸作用下土中钢-混凝土竖井结构破坏模式研究EI北大核心CSCD

针对土中钢板-钢筋混凝土竖井结构受侧向爆炸作用下的破坏模式,综合采用模型试验与有限元数值仿真计算方法,分析了不同比例爆距情况下竖井结构的破坏特征以及竖井结构端部对破坏模式、破坏程度的影响,根据结构破坏特征划分了破坏等级,确定了破坏等级判据指标及与各破坏等级的对应阈值。参数化分析了竖井混凝土强度、混凝土厚径比、钢板厚径比对竖井结构破坏特征、破坏程度的影响。研究结果表明:①随着比例爆距的减小,土中竖井结构的破坏模式分别为弹塑性动力响应、塑性铰线形成、井壁混凝土局部贯穿、井壁混凝土冲切破坏,钢板在混凝土块冲击下变形四种典型的破坏模式;②根据竖井结构变形特征,确定了衡量结构圆形横截面变形程度的无量纲环向相对位移α1、衡量结构侧面梁式变形的无量纲轴向相对位移α2作为竖井结构破坏程度的判据指标,并定量地给出了各破坏等级α1,α2的阈值范围;③混凝土强度的增加,钢板厚径比、混凝土厚径比的增大均可以增加竖井结构的抗爆性能,降低结构的破坏程度。     

罕遇地震作用下水电站厂房上部结构破坏模式研究

为揭示水电站厂房结构在罕遇地震作用下的破坏模式与抗震安全储备,基于ABAQUS平台,采用混凝土损伤塑性模型描述厂房混凝土,并通过子程序编程实现粘弹性人工边界以模拟无限地基,将人工波加速度峰值调整为罕遇地震对应的0.331g,针对某水电站厂房结构开展了动力非线性时程分析。结果表明,罕遇地震作用下厂房结构的破坏模式具体表现为下游立柱严重开裂、上游立柱开裂、上游墙底部开裂以及下游立柱出现轻微压损伤,混凝土损伤状态、钢筋应力、层间位移角均表明厂房结构自身具有较高的抗震安全储备,整体破坏程度在“可修”的水平。但上下游墙在顺河向的不协调运动会导致屋顶网架动应力非常突出,网架存在垮塌的风险,水电站厂房的抗震设计中应该充分重视屋顶网架与上下游墙的连接方式。     

岩石在动载作用下破坏模式与强度特性研究

岩石在高应变率下的破坏类型及动态强度理论是工程爆破中的一个重要的基本问题。以往研究岩石的破坏类型只停留在静载作用下,而其强度理论也多采用静态强度理论。作者利用ＳＨＰＢ装置对常见的四种岩石进行了大量冲击试验。结果表明,岩石在冲击载荷作用了下破坏分为四种类型：压剪破坏,拉应力破坏,拉应变破坏和卸载破坏,而且其破坏强度随冲击速度的提高而提高。最后对强度理论作了讨论。     

考虑RNA运行作用的近海风电结构动力响应分析

在风、浪的长期耦合作用下,海上风电结构的振动问题不仅会影响发电机组的电能输出,还会加剧结构的累积疲劳损伤,危害结构安全。为更加科学、合理地认识近海风电结构的动力特性,该文通过考虑风轮-机舱组件(rotor-nacelle assembly, RNA)运行作用及风、浪相关性,采用Von Karman风谱模型模拟湍流风场并计算气动荷载,通过莫里森方程求取单桩基础结构的波浪荷载,对NREL 5MW单桩风电塔进行动力响应分析,对比其在不同状态下的动态行为模式;通过批处理程序,开展对近海风电结构在3 m/s~30 m/s风速范围内的响应计算,探究RNA运行作用下近海风电结构位移、加速度响应随风速的变化规律。结果表明:近海风电结构在不同工作状态下的动力响应具有不同的频谱特征,其位移、加速度峰值响应会被RNA运行作用放大。     

装配式空心板桥铰缝破坏模式有限元分析

以带有深铰缝构造的装配式空心板桥为研究对象,采用通用程序ANSYS建立了一跨8m的装配式空心板桥实体模型,讨论了车辆荷载在不同位置(中载和偏载)作用下铰缝构造的破坏类型、破坏位置、开裂荷载等破坏模式。结果表明:不管是哪种加载方式,首先破坏的是铰缝构造;中载作用下破坏位置在铰缝与空心板的结合面处,破坏类型为受弯破坏,荷载为62kN(0.88倍车辆荷载)时结合面底部开裂,荷载为133kN(1.90倍车辆荷载)时裂缝贯通至结合面顶部形成通缝;偏载作用下破坏位置在铰缝内部,破坏类型为受剪破坏,荷载为72kN(1.03倍车辆荷载)时铰缝顶部开裂,荷载为238kN(3.40倍车辆荷载)时裂缝贯通至铰缝底部。通过对两种加载方式的比较可知,中载对装配式空心板桥铰缝构造更不利。     

台风作用下高耸结构动力响应及风振控制分析

高耸结构柔性较大,对风荷载较为敏感,相比一般风的影响,台风作用下的结构更易产生强烈的动力响应。考虑台风的基本特性,选取合适的台风风速谱,运用数值模拟方法,仿真得到了与结构竖向相关的18条脉动风载时程样本。利用有限元软件ANSYS建立某高耸钢塔结构三维空间有限元模型,并在时域内对设置粘滞阻尼器的结构进行控制效果分析,得到最优粘滞阻尼系数。研究表明：编制的MATLAB程序可较好的模拟高耸结构的台风脉动风载时程,风速时程的功率谱与目标值吻合得较好;设置粘滞阻尼器后结构的位移和加速度响应均有明显的减小,粘滞阻尼器是一种性能很好的阻尼器。     

海-气相互作用对台风结构的影响分析

文章主要利用中尺度大气模式和区域海洋模式构建了中尺度海一气耦合模式,对海一气相互作用对台风结构的影响进行了分析。研究结果表明：一方面,台风引起的海表面温度的降低使得海洋向大气输送的潜热通量大大降低;另一方面,台风强度以及移动速度对海表面降温幅度具有决定性作用。     

淀粉基API胶合木胶接结构破坏模式及失效机理

以淀粉基水性高分子异氰酸酯(API)胶合木胶接结构为研究对象,以胶接的压缩剪切强度为评估指标,通过加速湿热老化试验对胶接结构的破坏模式和失效机理进行了研究。结果表明:胶接结构的断裂性质为韧性断裂,且随着老化时间的增加,其破坏模式为由内聚破坏向内聚破坏+界面破坏转变。在湿热老化试验前期温度对压缩剪切试样性能起主要作用,在老化后期湿度起主要作用。     

泥石流作用下砌体结构的破坏机理和防倒塌措施

为了得到泥石流作用下砌体结构的破坏机理和防倒塌措施,该文利用有限元软件LS-DYNA建立了三维实体模型,分别从结构的整体变形、系统能量、关键点位移和速度等4个方面出发,对泥石流作用下砌体结构的破坏机理进行了研究。根据砌体结构的破坏机理,结合现行规范和工程实践,提出了增大构造柱截面尺寸、减少房屋开间尺寸和降低结构层高等三种防倒塌措施。数值计算结果表明,减少房屋开间尺寸和降低结构层高在一定程度上能够减小构造柱的塑性变形,但是减少程度不大;通过增加构造柱的截面尺寸能够有效地增加砌体结构的抗冲击能力。     

冲击荷载作用下非贯通节理岩体细观破坏模式研究

地应力作用下节理岩体的动态力学特性及对应力波传播规律的影响对深部地下工程的稳定性有着重要影响,采用颗粒流离散元软件(PFC2D)建立了含非贯通节理岩体的冲击作用数值模型,并通过与室内试验的对比验证了模型的有效性.通过对不同节理倾角、节理长度非贯通节理岩体的冲击压缩仿真试验,分析了岩体的变形特征、破坏模式及应力波传播规律.结果表明:随节理倾角从15°增加至75°,岩石强度呈现先减小后增大的近"V"字型变化规律,节理试件始终处于拉伸主导作用下,并在45°倾角时拉伸作用最为明显;随着节理长度的增大,岩体的初始损伤增大,动态抗压强度减小.15～25 mm"短"节理试件的贯通破坏由反翼裂纹主导,而30～35 mm"长"节理试件是在反翼裂纹和共面裂纹共同作用下断裂破坏.     

浅谈钢筋混凝土结构在地震力作用下的倒塌破坏

概述钢筋混凝土结构在地震力作用下的倒塌破坏研究理论体系,着重介绍结构分析模型、单元构件模型、构件的恢复力模型、粘结滑移问题、P-△效应、结构倒塌的判断准则,为钢筋混凝土结构倒塌破坏研究提供理论依据.     

大型冷却塔结构分析的回顾与展望

为明确RC冷却塔的风致动力破坏过程和极限脉动风荷载,采用ABAQUS对一代表性结构进行了计算。以分层壳单元模拟塔筒,分别采用塑性损伤模型和双折线模型模拟混凝土和钢筋的非线性本构,在对该塔规范静风极限承载力计算以及与既有弥散开裂模型结果对比的基础上,进行了试验脉动风荷载下的动力增量分析(IDA),结合变形模式、位移IDA曲线、裂缝分布、应力发展、塑性和刚度演化等方面对塔筒的破坏过程进行了系统阐述,并与静风破坏过程进行了对比。结果表明：静风荷载下,塑性损伤模型所得结构开裂荷载与弥散开裂模型结果一致,但前者所得结构极限荷载略高,结构延性更好;静力和动力风荷载作用下的结果差异来自本构模型、荷载模式和动力效应;脉动风荷载作用下RC冷却塔的结构破坏依然源于迎风子午向受拉导致的塔筒开裂和钢筋屈服,但应更关注塔筒大范围开裂导致的结构刚度下降：动力风荷载作用下塔筒破坏(V₀=57 m/s)时混凝土受拉开裂单元比例为63.13%,明显高于静风作用下的结果。     

横向加劲单曲悬索结构在随机风荷载作用下的动力响应分析

本文在研究了横向加劲单曲悬梁屋盖结构的自振特性的基础上，主要对随机风荷载作用下的结构的动位移响应进行理论分析，通过大量计算，研究了结构随机风振反应的各种影响因素，得出有益结论，并对需要进一步研究的问题进行了探讨。     

钢筋混凝土框架-剪力墙结构最佳破坏模式基础研究

钢筋混凝土框架-剪力墙结构的理想破坏模式为连梁—剪力墙底部—框架梁—框架柱。将附加4片剪力墙和M榀框架的12、14、16、18、20层结构作为“N层4片剪力墙M榀框架”算例模型,利用SNAP软件对其依次进行弹塑性动力时程分析,考查随M的增加,“N层4片剪力墙M榀框架”的破坏模式的变化过程,根据结构的累积滞回耗能分布规律,分析并确定其刚度特征值 和破坏模式的内在联系,提出满足理想破坏模式要求的“临界刚度特征值”,从而根据“临界刚度特征值”计算结构的“相对剪力墙刚度”。对“临界刚度特征值”的“N层4片剪力墙M榀框架”进行分析可知,其周期、壁率、面积率、位移角、受力及其变形特征均符合经验公式和《高规》等要求,表明研究方法的正确性和研究结果的合理性。     

约束剪力墙对SRC框排架结构破坏模式及耗能性能的影响研究

通过SRC框排架模型结构拟动力试验、伪静力试验以及结构中典型SRC异型节点的伪静力试验,研究约束剪力墙对结构破坏模式与耗能性能的影响。结果表明：剪力墙能够起到第一道抗震防线的作用,形成利于抗震的破坏模式;薄弱部位随着地震作用的增强由煤斗层、运转层到底部两层下移;结构的荷载-位移滞回曲线比较饱满,耗能性能较好;剪力墙对结构中SRC异型节点的裂缝开展具有很好的约束作用,沿纵横向同时布置约束剪力墙能够改善该类节点的破坏模式;约束剪力墙可明显提高SRC异型节点的耗能性能、承载能力与延性性能。本文的研究可为推广应用SRC框排架结构体系提供基础研究资料。     

冲击荷载下钢筋混凝土缺口梁破坏模式的试验研究

钢筋混凝土梁在使用过程中内部的微裂缝和缺陷逐渐衍生扩展导致混凝土发生开裂。冲击荷载下钢筋混凝土缺口梁的承载性能和能量耗散与无缺口梁明显不同。为了合理评估钢筋混凝土缺口梁的抗冲击性能,利用落锤冲击试验机对不同配筋率的钢筋混凝土缺口梁进行了动态三点弯试验。通过对比分析冲击过程中锤头冲击力、支座反力和跨中位移,探讨了冲击速度对钢筋混凝土缺口梁破坏模式、承载力和能量耗散的影响。试验结果表明：钢筋混凝土缺口梁的破坏模式随着冲击速度和配筋率的增大由弯曲破坏逐渐转变为弯剪破坏;弯曲/弯剪破坏模式下支反力最大值和静态抗弯/抗剪承载力的比值与冲击速度呈线性增长关系;将支反力-跨中位移曲线简化为平行四边形后分别建立了静态抗弯/抗剪承载力与冲击速度的经验公式,为合理评估钢筋混凝土缺口梁的抗冲击性能提供参考依据。     

复合加载模式下桶形基础破坏包络面弹塑性有限元数值分析

作为新型的海洋基础型式,建立复合加载模式下地基基础的破坏包络面,并依此评价海洋平台基础及地基的稳定性是地基基础设计与施工中的关键问题。但目前对于吸力式桶形基础的破坏包络面形状及其数学形式尚缺乏合理的计算模式和分析方法。基于大型有限元分析软件ABAQUS,采用Swipe试验加载方法,通过比较系统的数值计算与分析,考察了不同荷载组合加载模式下桶形基础破坏包络面形状,并给出了其数学表达式,依次评判实际荷载作用下桶形基础的工作状态,为工程设计提供参考依据。     

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。     

近海山地台风风场特性实测研究

基于2017年台风“海棠”和台风“纳沙”登陆近海山地时的实测数据,选取10 min平均风速≥10 m/s的强风样本,研究了平均风速、湍流度、阵风因子和地面粗糙度指数的变化规律,并分析了不同风速区间的风剖面和湍流剖面的变化规律。结果表明:台风登陆过程中风速时程呈双“M”型四峰分布,平均风向发生了260°的转变,10 m高度处湍流强度在0.15~0.34波动,并随地貌粗度指数增大有增大的趋势。实测得到风剖面和湍流剖面与规范GB 50009?2012进行了对比,不同高度处的平均风速变化符合指数率的变化趋势;两个测风塔实测得到台风风场的风剖面指数α均值为0.15和0.14大于季风风场的风剖面指数,接近GB 50009?2012中B类地貌规定值,但台风风场中的湍流强度剖面参数要大于GB 50009?2012中B类地貌规定参数值,该文结果可为近海山区工程结构抗台风设计提供参考。