鋼管混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件在側(cè)向撞擊下動力響應(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遭受各種意外的撞擊加載作用。撞擊加載以其歷時短、強度高為特征，結(jié)構(gòu)經(jīng)受撞擊加載時變形極為迅速，慣性效應(yīng)必須計及，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)件在強動載

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，且國內(nèi)外已有的研究甚少。本文對鋼管混凝土梁、柱結(jié)構(gòu)構(gòu)件經(jīng)受大質(zhì)量、中低速的側(cè)向撞擊作用時的動力響應(yīng)與破壞機(jī)理從多個層面開展了較為系統(tǒng)地研究。主要工作與結(jié)果如下: 1、在國產(chǎn)50噸YAW-5000型微機(jī)控制電液伺服壓力實驗機(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荷載作用下的靜載彎曲試驗，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?；跇?gòu)件破壞的特征提出了關(guān)于梁橫截面塑性極限彎矩Mp的計算公式，此式計算出的彎矩可用于該類構(gòu)件的極限分析或結(jié)構(gòu)塑性動力響應(yīng)的研究。 2、借助DHR9401型落錘式?jīng)_擊實驗機(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。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。試驗中記錄的撞擊力時程曲線可分為迅速上升的沖擊力加載、平穩(wěn)的塑性動力響應(yīng)和卸載三個階段。撞擊的持續(xù)時間大約為1.5ms-30ms左右，隨撞擊能量的增大而增長。較長的平臺段表明CFST梁構(gòu)件具有良好的韌性。卸載段的持續(xù)時間隨試件跨中截面鋼管的開裂而加長。構(gòu)件跨中截面鋼管開裂時對應(yīng)的臨界沖擊能量與支撐條件密切相關(guān)，兩端簡支和

5、一端固定一端簡支構(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，試驗過程中記錄了軸向力、沖擊力時程曲線，獲得了軸壓力對構(gòu)件跨中撓度的影響。軸壓力時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)，使沖擊力時程曲線只經(jīng)歷了沖擊力

6、峰值和卸載兩個階段；軸壓力對構(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、沖擊力時程曲線以及沖擊力幅值、沖擊力持續(xù)時間、臨界沖擊能量等特征量與試驗結(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，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，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CFST梁的動力響應(yīng)問題進(jìn)行了理論分析；當(dāng)考慮CFST柱的動力響應(yīng)時，采用簡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，并對試驗工況進(jìn)行了計算，其結(jié)果與試驗結(jié)果吻合程度較好。 6、通過對仿真分析和理論分析結(jié)果的綜合與整理，得到了兩端簡支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