爆炸冲击荷载作用下框架柱简化分析模型研究

爆炸冲击荷载作用下结构的反应分析属于典型的动力学问题，由于爆炸冲击荷载作用位置的局部性和作用时间非常短暂，结构构件的抗爆分析与地震荷载作用下的动力分析有显著不同，结构构件抗爆分析具有明显的局部性，结构构件在爆炸冲击波荷载作用下的受力与整体结构关系不大，只与受力构件周围一定范围内的结构构件刚度有关，在爆炸冲击荷载作用下，可以把结构构件简化为考虑端部约束条件的单根杆件进行分析。本文以理论分析为基础、以ANSYS通用大型有限元分析软件为工具，研究了柱端约束条件对框架柱在爆炸空气冲击波作用下分析结果的影响，提出了一种框架柱抗爆分析计算的简化模型，对结构抗爆分析研究和设计具有指导意义。     

爆炸荷载作用下承重柱的弹性动力响应分析

为了建立爆炸荷载作用下承重柱构件的弹性动力响应分析方法,进一步奠定研究承重柱非线性抗爆响应和破坏形态的理论基础,该文将承重柱简化为承受轴向荷载的约束梁构件,并基于经典Timoshenko梁理论,通过建立等效频率矩阵、等效荷载向量矩阵以及修正的等效质量矩阵,采用变量分离法联立方程求解,推导出承受恒定轴力的Timoshenko梁在任意横向爆炸荷载作用下的弹性动力响应的解析解;并以此弹性解析方法为基础,进一步分析讨论了爆炸荷载作用下,长细比、初始轴向应变、端部约束条件及荷载参数等因素对承重柱弹性动态响应的影响,研究结果对钢柱或钢筋混凝土柱(RC柱)的抗爆分析与设计有参考作用。     

一种简化的R.C框架结构地震位移反应分析方法

采用单自由度体系等效多自由度体系,只考虑第一振型影响,确定结构最大位移反应。该文假定R.C框架结构屈服前刚度与强度相关,屈服位移由结构几何尺寸近似确定。结合我国建筑抗震设计规范,研究不同设计条件下R.C框架结构的超强系数,然后乘以设计地震作用确定结构的实际强度。根据结构屈服位移以及实际强度确定等效结构的有效周期。当有效周期大于特征周期时,结构最大非线性位移反应采用等位移原理确定,当有效周期小于特征周期时,结构最大非线性位移反应采用等能量原理确定。该方法与其它方法相比,避免了复杂的弹塑性动力或静力分析,不需要进行迭代计算,且与我国规范结合紧密,特别适合对既有结构快速评估。     

内爆作用下RC框架结构SAP数值模拟

利用SAP2000软件,在构件拆除法的基础上增加了爆炸冲击荷载对关键失效构件周围其他构件的直接作用,对内爆作用下的RC框架结构进行了动力非线性分析,并将分析结果与仅采用构件拆除法的分析结果进行了对比。通过对比计算结果可以看出,爆炸冲击荷载对失效构件周围其他构件的直接作用会对RC框架结构的损毁程度产生较大影响。与构件拆除法相比,SAP2000分析方法更符合内爆作用下RC框架结构的实际受荷情况。与利用ANSYS LS/DYNA等大型有限元软件进行显示动力分析相比,SAP2000分析方法更易于掌握,节省时间,更便于广大结构设计人员使用。     

加载制度对新型型钢混凝土柱的抗震性能影响

采用有限元软件对新型型钢混凝土(SRC)柱抗震性能进行了数值模拟, 通过与试验结果的对比, 验证了模型的正确性。通过大量的数值模拟, 研究了加载路径、循环次数、位移幅值增量及变轴力对新型型钢混凝土柱抗震性能的影响。由于柱内存在双轴耦合作用, 双轴往复荷载作用下较单轴往复荷载作用下柱的抗震性能明显降低, 表明加载路径对柱的抗震性能影响显著;屈服荷载前循环次数对柱骨架曲线的影响很小, 屈服荷载后影响显著, 循环次数越多其峰值荷载及其对应的位移和位移延性越小, 但其耗能越大;双轴往复荷载作用下位移幅值增量对柱抗震性能的影响较单轴往复荷载作用下的显著, 屈服位移、屈服荷载、位移延性系数随位移幅值增量的增大而增大, 但其耗能减小;在变轴力作用下柱表现出明显的不对称性, 且其抗震性能明显较定轴力作用下更为 不利。     

爆炸冲击荷载作用下方舱的极限承载力计算与加固分析

为了确定方舱在爆炸荷载作用下的极限承载能力和承受0．05MPa的冲击波荷载需要采取的加固措施，采用ANSYS MECHANICS／LS——DYNA有限元软件对某整体大板力舱的静、动力响应进行了数值计算。结果表明，船体的静、动力极限荷载分别为0．01125MPa、0．020MPa；通过五种加固方案的比较和优选，得到了方舱的最佳加固方案，其成果可为方舱加固设计的抗爆试验方案提供参考。     

Q460高强钢柱在近爆荷载作用下的动力响应研究EI北大核心CSCD

采用有限元软件ANSYS/LS-DYNA,建立钢柱有限元模型,运用流固耦合计算方法,模拟Q460高强钢柱在爆炸荷载作用下的动力响应,在此基础上提出了分段等效三角波计算方法对结构/构件施加爆炸荷载,并对影响钢柱动力响应的主要因素进行数值分析。结果表明:分段等效三角波计算方法和流固耦合方法计算吻合较好,验证了分段等效三角波计算方法的可行性;爆炸冲击波速度快,荷载峰值大,持续时间短,对钢柱的破坏力极强;钢材强度等级越大,钢柱抵抗变形的能力越强;炸药位置越低,柱脚越容易发生剪切破坏;翼缘作为迎爆面更能抵抗爆炸冲击的作用;适当减小翼缘和腹板的宽厚比能增强钢柱抵抗动力荷载的能力。提出的分段等效三角波计算方法为研究抗爆提供进一步参考。     

内置圆钢管斜柱扩展基础上拔水平力组合荷载试验

通过开展输电线路新型内置圆钢管斜柱扩展基础上拔和水平力组合荷载作用下的4个现场试验,分析了主柱配筋和锚固件设置方式对其承载性能影响规律,研究了该类型基础的破坏机理。结果表明：上拔水平力组合荷载作用下基顶荷载位移曲线具有明显的弹性、屈服阶段和破坏阶段;主柱纵筋可提高柱身强度,当柱身强度满足承载要求时,地基土体发生剪切破坏...     

连续梁桥横桥向等位移准则

首先分析了单自由度等位移准则与结构屈服程度的关系,然后针对典型连续梁桥的特点,定义了名义屈服位移和名义屈服曲率,并通过改变主梁特性、桥墩特性和地震动输入等进行参数分析,将等位移准则由单自由度推广到多自由度。研究表明,当连续梁桥的主要振型的周期均大于对应单自由度等位移准则的周期下限,并且主要振型的质量参与系数之和超过90%时,非线性时程方法得到的位移与弹性反应谱方法得到的位移接近,等位移准则成立,可以采用弹性位移评估其非弹性位移。多自由度等位移准则的应用较大程度简化了相当一部分连续梁桥的横桥向位移需求的计算,为其基于位移的抗震设计提供了基础。     

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。     

实腹式型钢混凝土异形柱框架刚度与承载力试验研究

通过2榀实腹式配钢的型钢混凝土(SRC)异形柱框架的低周反复加载试验,获得其破坏特征和荷载-位移滞回曲线,分析其刚度和承载力。结果表明,实腹式配钢的SRC异形柱框架具有良好的抗震性能,破坏机制为梁铰机制;刚度退化由快到慢,呈现出较好的规律性;对SRC异形柱框架的弹性层刚度进行计算,结果与试验结果符合较好;承载力衰减随加载位移的增加而增大,但当位移小于5#x00394;_y时,同级位移下承载力衰减较小;实腹式SRC异形柱框架的层间受剪承载力可采用柱底塑性铰法进行计算。     

包覆泡沫铝钢梁动态位移的计算及影响因素

为考察运用FSI(流固耦合效应)能否考虑包覆泡沫铝对钢梁在爆炸荷载作用下最大动位移的影响及分析包覆泡沫铝衰减爆炸荷载作用下钢梁最大动位移的影响因素,运用理论及数值模拟方法分析了包覆泡沫铝钢梁在爆炸荷载作用下的动态位移变化情况。在验证理论及数值模拟结果可靠的基础上,对比理论结果与数值模拟计算结果的优缺点,并运用数值模拟分析影响包覆泡沫铝衰减钢梁在爆炸荷载作用下动位移的因素。结果表明:FSI可以考虑包覆材料对爆炸冲击波的衰减作用,但不能反映材料本身变化的影响(如材料厚度、屈服强度等);在计算包覆泡沫铝衰减爆炸荷载作用下钢梁最大动位移时,泡沫铝的厚度、屈服强度均具有最优解;增加刚性面板会放大包覆泡沫铝钢梁在爆炸荷载作用下的最大动位移。     

Residual strength of blast damaged reinforced concrete columns

Columns are the key load-bearing elements in frame structures and exterior columns are probably the most vulnerable structural components to terrorist attacks. Column failure is normally the primary cause of progressive failure in frame structures. A high-fidelity physics-based computer program, LS-DYNA was utilized in this study to provide numerical simulations of the dynamic responses and residual axial strength of reinforced concrete columns subjected to short standoff blast conditions. The finite element (FE) model is discussed in detail and verified through correlated experimental studies. An extensive parametric study was carried out on a series of 12 columns to investigate the effects of transverse reinforcement ratio, axial load ratio, longitudinal reinforcement ratio, and column aspect ratio. These various parameters were incorporated into a proposed formula, capable of estimating the residual axial capacity ratio based on the mid-height displacement to height ratios.     

Strain growth of the in-plane response in an elastic cylindrical shell

Strain growth is a phenomenon observed in containment vessels subjected to internal blast loading. The local elastic response of the vessel may become larger in a later stage compared to its response in the initial stage. To find out the possible mechanisms of the strain growth phenomenon, the in-plane response of an elastic cylindrical shell subjected to an internal blast loading is investigated. Vibration frequencies of membrane modes and bending modes are calculated theoretically and numerically. The dynamic non-linear in-plane responses of an elastic cylindrical shell subjected to internal impulsive loading are studied by theoretical analysis and finite-element simulation using LS-DYNA. It is shown that the coupling between the membrane breathing mode and flexural bending modes is the primary cause of strain growth in this problem. The first peak strain of the breathing mode and the ratio of the thickness to the radius are the dominant factors determining the occurrence of strain growth. Other mechanisms, which have been suggested in previous studies (e.g. beating between vibration modes with close frequencies, interactions between multiple vibration modes, resonance between vessel vibration and reflected blast wave, influence of structural perturbations), are secondary causes for the occurrence of the strain growth phenomenon in the studied problem.     

型钢混凝土框架柱等效塑性铰长度研究

为了对地震作用下型钢混凝土框架柱的等效塑性铰长度做出较为准确的定义,根据课题组前期试验结果,对水平地震作用下型钢混凝土框架柱的破坏现象和机理进行了深入分析,建立了地震作用下型钢混凝土柱的柱顶极限位移模型,基于考虑纵筋屈服后型钢和核心区混凝土的弯曲效应以及型钢翼缘的应变渗透效应,通过理论分析与推导得到了柱顶极限位移模型中各分量对应塑性转角计算方法,最终采用曲率积分的原理建立了适用于型钢混凝土框架柱等效塑性铰长度的计算表达式。将解析方法得到计算结果与试验结果进行对比,结果表明:该文所提出的等效塑性铰长度计算公式与型钢混凝土框架柱在水平地震荷载作用下的试验结果吻合较好,该研究结果可为型钢混凝土组合结构构件基于性能的抗震设计和弹塑性分析提供一定的理论支撑。     

Development of P-I diagrams for FRP strengthened RC columns

In this study, numerical simulations are performed to construct the Pressure-Impulse (P-I) diagrams for FRP strengthened RC columns to provide correlations between the damage levels of FRP strengthened RC columns and blast loadings. Numerical model of RC columns without or with FRP strengthening is developed using LS-DYNA. The accuracy of the model to simulate RC column responses to blast loads is verified by comparing the numerical simulation results with the tests results available in the literature. Dynamic response and damage of RC columns with different FRP strengthening measures are then calculated using the developed numerical model. The residual axial-load carrying capacity is utilized to quantify the damage level since the columns are primarily designed to carry the axial loads. Parametric studies are performed to examine the influence of column dimension, concrete strength, steel reinforcement ratios, FRP thickness and FRP strength on the P-I diagrams. The empirical formulae are derived based on numerical results to predict the impulse and pressure asymptote of P-I diagrams. These empirical formulae can be straightforwardly used to construct P-I diagrams for assessment of blast loading resistance capacities of RC columns with different FRP strengthening measures.     

钢骨混凝土短柱在长期轴向荷载作用下的试验研究

钢骨混凝土柱结构在过去几十年间已得到广泛的运用。但是目前关于这种柱结构在长期荷载作用下由于徐变和收缩引起的与时间相关的力学性能研究还开展得很少。该文开展了钢骨混凝土短柱的长期轴向荷载试验研究,还进行了这些柱的极限承载力破坏试验。试验监测了由徐变和收缩引起的柱的轴向长期变形。基于该实测曲线的分析表明,采用ACI 209R-92的收缩模型和CEB-FIP90的徐变模型,利用龄期调整有效模量法可以较好地模拟钢骨混凝土柱在长期轴向荷载作用下的变形发展。经历了长期加载后的试验柱的极限承载力破坏试验还表明,长期轴向荷载对柱的轴压承载力没有显著影响。     

偏心爆炸荷载下网壳结构的动力响应分析

利用ANSYS/LS-DYNA动力有限元软件平台建立了包含网壳杆件、檩托、檩条、铆钉、屋面板、墙体和地面在内的40m跨度精细化典型K8单层球面网壳结构有限元模型,采用流固耦合算法对结构在内部偏心爆炸荷载作用下的动力响应进行了有限元数值模拟研究,得到了网壳结构在偏心爆炸荷载作用下的四种响应模式：结构无损伤、构件塑性发展、网壳大变形、泄爆型破坏。获得了不同爆炸点位置、杆件截面、矢跨比、支承条件、屋面板厚度等参数条件下的结构动力响应结果,通过对比分析,总结了各参数对结构动力响应的影响程度与规律,为网壳抗爆防御设计提供了依据。     

爆炸荷载作用下FRP管-混凝土-钢管组合柱动态响应的数值模拟研究

针对FRP(纤维增强复合材料)管-混凝土-钢管组合柱的抗爆性能,采用非线性有限元软件ANSYS/LSDYNA进行数值模拟研究。分析了组合柱在爆炸荷载作用下的破坏形态、不同比例距离以及不同厚径比情况下的动态响应。结果表明:在爆炸荷载作用下,组合柱损伤程度明显降低;随着比例距离逐渐增大,FRP材料组合柱的中部水平位移峰值显著降低;随着厚径比增大,组合柱刚度逐渐增强,组合柱中部水平位移峰值也显著降低。因此,该类组合柱具有优越的抗爆性能。可为该类型组合柱的抗爆设计以及进一步研究提供参考。