鋼管混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件在側(cè)向撞擊下動(dòng)力響應(yīng)及其損傷破壞的研究.pdf

1、鋼管混凝土(CFST)結(jié)構(gòu)構(gòu)件充分發(fā)揮了鋼管與混凝土兩種材料的特性和潛力，使其具有強(qiáng)度高、韌性好、施工便捷等一系列優(yōu)良特性，近年來越來越廣泛地被用于工業(yè)與民用建筑、大型橋梁及地下結(jié)構(gòu)等重要工程領(lǐng)域。這些重要結(jié)構(gòu)在服役過程中不可避免地會(huì)遭受各種意外的撞擊加載作用。撞擊加載以其歷時(shí)短、強(qiáng)度高為特征，結(jié)構(gòu)經(jīng)受撞擊加載時(shí)變形極為迅速，慣性效應(yīng)必須計(jì)及，從而使結(jié)構(gòu)的響應(yīng)與失效同靜力受載情況相比有著許多不同的規(guī)律和特征。顯然，鋼管混凝土構(gòu)件在強(qiáng)動(dòng)載

2、作用下的變形、損傷及破壞的研究有著十分重要的應(yīng)用背景，然而由于各種效應(yīng)的耦合，致使該類問題極其復(fù)雜、研究難度較高，且國(guó)內(nèi)外已有的研究甚少。本文對(duì)鋼管混凝土梁、柱結(jié)構(gòu)構(gòu)件經(jīng)受大質(zhì)量、中低速的側(cè)向撞擊作用時(shí)的動(dòng)力響應(yīng)與破壞機(jī)理從多個(gè)層面開展了較為系統(tǒng)地研究。主要工作與結(jié)果如下: 1、在國(guó)產(chǎn)50噸YAW-5000型微機(jī)控制電液伺服壓力實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行了兩類邊界條件、三種鋼管壁厚的鋼管混凝土梁跨中單點(diǎn)荷載作用下的靜載彎曲試驗(yàn)，記錄了荷載一撓

3、度的關(guān)系曲線。在多數(shù)工況下曲線有穩(wěn)定的平臺(tái)值，表明鋼管混凝土梁具有良好的塑性吸能特性。試件的破壞為典型的正截面彎曲破壞。基于構(gòu)件破壞的特征提出了關(guān)于梁橫截面塑性極限彎矩Mp的計(jì)算公式，此式計(jì)算出的彎矩可用于該類構(gòu)件的極限分析或結(jié)構(gòu)塑性動(dòng)力響應(yīng)的研究。 2、借助DHR9401型落錘式?jīng)_擊實(shí)驗(yàn)機(jī)，首次完成了三類邊界條件、三種鋼管壁厚的鋼管混凝土梁的側(cè)向撞擊試驗(yàn)。落錘的質(zhì)量為229.8kg和203.5kg兩種，撞擊速度最大為14m/s

4、。試件的典型破壞模式主要表現(xiàn)為撞擊點(diǎn)附近和固定端附近鋼管的局部皺曲、跨中圓截面的扁化、梁的整體彎曲和正截面的開裂破壞。試驗(yàn)中記錄的撞擊力時(shí)程曲線可分為迅速上升的沖擊力加載、平穩(wěn)的塑性動(dòng)力響應(yīng)和卸載三個(gè)階段。撞擊的持續(xù)時(shí)間大約為1.5ms-30ms左右，隨撞擊能量的增大而增長(zhǎng)。較長(zhǎng)的平臺(tái)段表明CFST梁構(gòu)件具有良好的韌性。卸載段的持續(xù)時(shí)間隨試件跨中截面鋼管的開裂而加長(zhǎng)。構(gòu)件跨中截面鋼管開裂時(shí)對(duì)應(yīng)的臨界沖擊能量與支撐條件密切相關(guān)，兩端簡(jiǎn)支和

5、一端固定一端簡(jiǎn)支構(gòu)件的臨界沖擊能量大約分別為兩端固定構(gòu)件的40％和75％。 3、為了考察鋼管混凝土柱的抗側(cè)向沖擊性能，利用碟形彈簧組自行制作加工了在側(cè)向沖擊過程中施加軸向力的試驗(yàn)裝置，利用這套裝置成功完成了受軸壓柱的側(cè)向沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中記錄了軸向力、沖擊力時(shí)程曲線，獲得了軸壓力對(duì)構(gòu)件跨中撓度的影響。軸壓力時(shí)程曲線顯示在沖擊過程中軸向力的損失最大量為初始軸向力的20％；側(cè)向沖擊與軸壓力的耦合效應(yīng)，使沖擊力時(shí)程曲線只經(jīng)歷了沖擊力

6、峰值和卸載兩個(gè)階段；軸壓力對(duì)構(gòu)件的抗沖擊能力有顯著的影響。 4、利用LS-DYNA完成了CFST構(gòu)件側(cè)向沖擊的仿真分析，并在建模中考慮了混凝土三向應(yīng)力狀態(tài)的本構(gòu)關(guān)系，仿真分析給出的破壞模式、沖擊力時(shí)程曲線以及沖擊力幅值、沖擊力持續(xù)時(shí)間、臨界沖擊能量等特征量與試驗(yàn)結(jié)果表現(xiàn)出相當(dāng)好的一致性。仿真分析結(jié)果表明:鋼管的應(yīng)變率效應(yīng)不明顯；混凝土只在沖擊力峰值階段處于高圍壓狀態(tài)，在沖擊力平臺(tái)階段混凝土受壓部分的應(yīng)力值穩(wěn)定在單軸抗壓極限強(qiáng)度值

7、附近，截面中性軸略高于其幾何形心軸位置；跨中截面鋼管的開裂主要由鋼材的極限拉伸應(yīng)變決定；軸壓力小于0.3N0時(shí)，軸壓力的存在可以提高構(gòu)件的抗側(cè)沖擊能力，軸壓力大于0.3N0后，軸壓力明顯降低構(gòu)件的抗沖擊能力，在臨界沖擊能作用下，軸壓力為0.3N0時(shí)，構(gòu)件出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。 5、利用剛塑性模型及本文提出的截面極限塑性彎矩，對(duì)CFST梁的動(dòng)力響應(yīng)問題進(jìn)行了理論分析；當(dāng)考慮CFST柱的動(dòng)力響應(yīng)時(shí)，采用簡(jiǎn)化的正方形軸力與彎矩相互作用屈服面，

8、建立了軸向力與側(cè)向沖擊響應(yīng)耦合的分析模型，并對(duì)試驗(yàn)工況進(jìn)行了計(jì)算，其結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合程度較好。 6、通過對(duì)仿真分析和理論分析結(jié)果的綜合與整理，得到了兩端簡(jiǎn)支CFST構(gòu)件套箍系數(shù)與臨界沖擊能的函數(shù)關(guān)系為Ecr=6.46+1.21ξ+0.39ξ2；一端固定一端簡(jiǎn)支構(gòu)件套箍系數(shù)與臨界沖擊能的函數(shù)關(guān)系為Ecr=3.93+8.68ξ0.65ξ2，兩端固定構(gòu)件套箍系數(shù)與臨界沖擊能的關(guān)系為Ecr=5.26+11.62ξ-0.87ξ2；在套箍