爆炸荷载作用下钢筋混凝土梁的动力响应及破坏形态分析

对基于Timoshenko梁理论建立的非线性动力有限元法作了改进。根据压区理论得到混凝土的平均剪应力和平均剪应变关系,建立了能反映箍筋的抗剪作用的材料模型;此外,对结构在爆炸荷载作用下可能出现的各种响应现象进行了描述,以准确地预测梁破坏时不同位置截面上钢筋和混凝土的受力、变形及破坏情况。应用改进的材料模型,对爆炸荷载作用下的五个钢筋混凝土试验梁的动力响应和破坏形态进行了数值模拟,结果表明,该数值方法能较好地模拟钢筋混凝土梁的弯曲、弯剪和剪切等破坏形态。     

爆炸荷载下钢筋混凝土梁的变形和破坏

利用爆炸压力模拟器进行钢筋混凝土简支梁爆炸冲击实验,详细介绍了实验设计,通过实验系统分析了钢筋混凝土(RC)梁变形破坏特征以及钢筋作用机理和对变形破坏的影响,并建立了RC梁的分离式有限元模型,利用LS-DYNA分析了实验过程,对计算结果与实验结果进行了比较,分析了误差产生的原因,得到了爆炸冲击荷载作用下RC梁的损伤破坏特征和机理,可为毁伤评估和结构抗爆设计提供参考。     

接触爆炸荷载对钢筋混凝土梁的局部毁伤效应

为得到接触爆炸下钢筋混凝土（reinforced concrete,RC）梁的局部破坏模式和毁伤效应,对同一尺寸的RC梁进行了不同装药量的接触爆炸试验研究。试验中采用框架结构中典型工程尺度RC原型梁为研究对象,通过4次爆炸试验,观测了RC梁在不同装药量下的局部破坏模式和破坏特征,分析了装药量对局部毁伤效应的影响。研究结果表明：接触爆炸荷载作用下,RC梁将发生正面成坑、侧面崩落、背面震塌和截面冲切等局部破坏模式,爆坑深度、震塌厚度、表面毁伤面积以及受压区纵筋变形均与装药量立方根近似呈线性增加关系。在试验数据基础上,将RC梁局部毁伤程度划分为轻度毁伤、中度毁伤、重度毁伤和严重毁伤4个等级,采用比例装药量判据进行评估。研究成果可为抗爆结构设计和结构毁伤评估提供理论依据。

     

爆炸荷载作用下弹性与阻尼支承梁的动力响应

为了提高梁的抗爆能力,目前通常是从材料、截面形状等方面考虑．通过在梁端部设置弹性和阻尼支承来提高梁的抗力．为此,应用拉格朗日方程建立了端部弹性与阻尼支承梁的动力方程,通过长作用时间和短作用时间两个爆炸动荷载的典型算例,分析了端部弹性与阻尼支承对梁动态响应的影响,并指出在短作用时间动荷载作用下在梁端部设置弹性与阻尼支承可有效提高梁的抗力．     

爆炸荷载作用下RC梁单边直剪破坏数值分析

本文通过建立数值模型,选择相应的参数信息得出数值计算结果对既有的爆炸荷载作用下RC简支梁的动力响应试验结果进行对比分析,认为所选数值模型及计算方法能够很好地与试验相匹配.据此,文中通过建立RC梁在一端作用有0.2kg的TNT炸药爆炸模型分析该梁的破坏模式、提取梁中不同部位的位移时程曲线得出RC梁破坏的具体形态及由局部破坏导致整根构件失效等一系列过程.爆压分布的测定对RC梁发生该种破坏类型时荷载的简化具有指导意义.通过截取梁两端支反力可知受到单边直剪破坏作用的RC梁端的剪切作用力远高于另一端.对另外三种近似工况建立数值模型,通过数值计算分析出RC梁构件发生单边直剪破坏风险的诸条件及要素.与此同时,确定了单边直剪破坏荷载类型简化形式.     

长持时爆炸冲击波荷载作用下梁板组合结构的动力响应

为研究钢筋混凝土梁板组合结构在长持时远爆冲击波荷载作用下的动力响应及毁伤形态,通过实验获得了梁板组合结构的破坏形态和背爆面中心点位移变化。利用有限元软件对钢筋混凝土梁板组合结构的动态响应过程进行数值模拟研究,模拟得到的结构破坏现象与实验吻合较好。在此基础上,分析了梁板组合结构在相同冲量、不同峰值爆炸荷载作用下组合结构的动态响应和破坏过程,并结合挠跨比与破坏形态划分破坏模式。研究结果表明,相同冲量作用下,随着爆炸荷载峰值强度增加,梁板组合构件的破坏程度逐渐增加,破坏模式从弯曲破坏向弯剪联合破坏转换,最后呈现冲切破坏模式;组合构件中板部分发生破坏的时间早于交叉梁部分、破坏程度大于交叉梁。

     

二次爆炸作用下钢筋混凝土梁动力响应的数值模拟

为了探究钢筋混凝土梁在二次爆炸作用下的毁伤效应,开展了相关数值分析研究：利用LS-DYNA中的流固耦合算法和完全重启动技术,对钢筋混凝土梁二次爆炸试验进行了数值模拟,分析结果与试验结果基本一致,验证了模拟方法和材料模型参数的正确性;在此基础上,对二次爆炸场景进行扩展,对典型足尺钢筋混凝土梁进行建模分析,探究了爆炸场景、混凝土强度、纵筋配筋率和箍筋配筋率对二次爆炸作用下钢筋混凝土梁损伤破坏模式和动力响应的影响。结果表明：由于压力膜效应的存在,在保持爆炸总当量不变的前提下,单次爆炸对钢筋混凝土梁构件造成的损伤比连续两次爆炸造成的累积损伤更严重;提高混凝土强度可以显著提高二次爆炸作用下钢筋混凝土梁的抗爆性能;提高纵筋配筋率对梁抗爆性能的提升效果不明显;而对混凝土梁支座部位采用箍筋加密措施可以降低钢筋混凝土梁在爆炸作用下的剪切破坏程度,提高钢筋混凝土梁在二次爆炸作用下的抗爆性能。进一步计算得到了所涉及二次爆炸场景下两种不同设计参数钢筋混凝土梁的等损伤曲线,建立了相应的损伤程度分区图。     

水下爆炸冲击荷载作用下混凝土重力坝的破坏模式

考虑混凝土的高应变率效应,构建重力坝水下爆炸全耦合模型,运用显式动力分析程序LS-DYNA,对水下爆炸冲击荷载作用下大坝动态响应进行分析,探讨大坝可能破坏模式及相应的破坏机制。研究表明,大坝破坏模式不仅与坝体的自身动力特性有关,还取决于炸弹起爆时的水下深度、爆心距及炸弹药量;重力坝坝头是抗爆性能薄弱部位,大坝可能破坏模式为上游迎爆面的爆炸成坑破坏、坝顶及坝下游面的震塌破坏、坝头与上游直面交接处及下游折坡附近的脆性冲切破坏并出现贯穿性裂缝破坏。     

爆炸荷载作用下三相饱和土中气体运动的几个影响因素分析

三相饱和土中的气体含量是决定爆炸波在其中传播的最重要因素,但目前理论上对其中气体运动的描述还不够准确。对影响三相饱和土应力应变关系递增硬化段气体运动的几个因素,包括表面张力、气泡周围介质的粘性和压缩性等进行了描述,并通过数值分析确定这些因素的影响程度。计算结果表明气泡表面张力和气泡周围介质的压缩性对气体运动的影响可以忽略不计,而气体本身的压缩特性和气泡周围介质的粘性是影响气体运动的主要因素。     

结构失效模式识别中失效元漂移问题的分析

基于有限元重分析技术,考虑载荷对结构的综合影响,从失效元漂移问题和结构极限承载能力角度出发,对结构可靠性分析中,增量载荷法的加载方式进行了分析和改进,并通过有限元程序进行了对比验证,文后提供了算例。结果表明,改进后的分析方法具有更广泛的应用性,其分析结果具有满意的精确度和良好的稳定性,更适合于实际工程中大型结构系统在多种载荷共同作用下的可靠性失效模式分析。     

钢板-混凝土组合加固钢筋混凝土梁的非线性有限元分析

以10根采用钢板-混凝土组合加固技术加固的钢筋混凝土梁的试验为基础,建立了钢板-混凝土组合加固钢筋混凝土梁的非线性有限元模型.沿用了钢板-混凝土组合梁有限元分析中栓钉的荷载-滑移曲线及断裂模型,提出了新老混凝土界面的剪切-滑移模型,可以较好地模拟界面受力性能.采用有限元软件ABAQUS,模拟了一次加固、不同损伤加固及持载加固等加载情况下加固构件受力全过程和受弯破坏以及新老混凝土剥离破坏等破坏形态下加固试件的受力性能.在验证了有限元模型的准确性后,分析了钢板厚度、加固部分高度及长度等参数对加固构件承载能力及刚度的影响.最后提出了几点对钢板-混凝土组合加固RC梁的设计建议.     

An analysis of the shear failure of rigid-linear hardening beams under impulsive loading

A theoretical rigid-plastic analysis for the dynamic shear failure of beams under impulsive loading is presented when using a travelling plastic shear hinge model which takes into account material strain hardening. The maximum dynamic shear strain and shear strain-rate can be predicted in addition to the permanent transverse deflections and other parameters. The conditions for the three modes of shear failure, i.e., excess deflection failure, excess shear strain failure and adiabatic shear failure are analyzed. The special case of an infinitesimally small plastic zone is discussed and compared with Nonaka's solution for a rigid, perfectly plastic material. The results can also be generalized to examine the dynamic response of fibre-reinforced beams.     

碳纤维布加固钢筋混凝土梁受力性能的试验研究

通过对8根矩形截面钢筋混凝土梁的静力加载试验,研究了抗弯和抗剪两种加固方式对钢筋混凝土梁的破坏形态和力学性能的影响,对比分析了碳纤维加固率、试验梁的状态、混凝土强度对加固效果的影响。结果表明：经碳纤维抗弯哥口抗剪加固后加圉梁相应的力学性能指标值明显提高;混凝土裂缝扩展得到了有效延缓,加固效果明显;抗弯加固后可显著提高混凝土梁的承载力和延性,但提高程度并不与加固率成正比;预裂粱抗弯加固后承载力和延性得到提高,但与其相同加固参数的梁相比,其承载力和延性有所降低;抗剪加固时混凝土强度越高,加固后混凝土梁的承载力和变形能力提高幅度越大,其中混凝土梁的变形能力受混凝土强度的影响较大。最后,对加固梁的极限承载力进行了理论分析与计算,建立了实用的理论计算公式,计算结果与试验结果吻合较好。     

Dynamical behavior of nonlinear viscoelastic beams

ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＴｈｅＧａｌｅｒｋｉｎｔｒｕｎｃａｔｉｏｎｉｓｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｄｙｎａｍｉｃａｌｂｅｈａｖｉｏｒ(ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙｔｈｅｎｏｎｌｉｎｅａｒｄｙｎａｍｉｃａｌｂｅｈａｖｉｏｒ)ｏｆｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ[1].Ｈｏｗｅｖｅｒ,ａｓｆａｒｔｈｅｒｅｉｓｎｏｄｉｒｅｃｔｅｖｉｄｅｎｃｅｔｏｐｒｏｖｅｔｈｅｐｌａｕｓｉｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｌｏｗｏｒｄｅｒＧａｌｅｒｋｉｎｔｒｕｎｃａｔｉｏｎ,ａｌｔｈｏｕｇｈｉｔｃａｎｂｅｉｎｆｅｒｒｅｄｆｒｏｍｃｅｒｔａｉｎｉ…     

Initial value method for free vibration of axially loaded functionally graded Timoshenko beams with nonuniform cross section

Free vibration of nonuniform axially functionally graded Timoshenko beams subjected to combined axially tensile or compressive loading is studied. An emphasis is placed on the effect of tip and distributed axial loads on the natural frequencies and mode shapes for an inhomogeneous cantilever beam including material inhomogeneity and geometric non-uniform cross section. The initial value method is developed to determine the natural frequencies. The method’s effectiveness is verified by comparing our results with previous ones for special cases. Natural frequencies of standing/hanging Timoshenko beams are calculated for four different cross sections. The influences of shear rigidity, taper ratio, gradient index, tip force, and axially distributed loading on the natural frequencies of clamped-free beams are discussed. Material inhomogeneity and geometric non-uniform cross-section strongly affect higher-order vibration frequencies and mode shapes.     

爆炸载荷作用下加筋板的失效模式分析及结构优化设计

通过对爆炸载荷下具有1根加强筋的固支矩形加筋板的有限元模拟,探讨了抗爆加筋板结构优化设计方法,分析了加筋板的失效模式以及加强筋相对刚度和冲击载荷强度对加筋板失效模式的影响,指出了失效模式Ⅰ下的3种变形模态以及失效模式Ⅱ下的2种子失效模式,得到了失效模式Ⅰ下加强筋和加筋板最大挠度的近似计算公式,提出了单根加筋板的两种失效模式的判别条件,并对具有1根加强筋的固支矩形加筋板抗爆结构进行了优化设计。结果表明,通过数值模拟或模型实验可以求得任意加筋板结构由发生塑性大变形到发生破损的临界条件,从而确定抗爆性能最强时加筋板的质量与加强筋横截面尺寸及间距间的关系,实现对抗爆加筋板结构的优化设计。     

舱内爆炸载荷及舱室板架结构的失效模式分析

通过对典型半穿甲导弹打靶实验中舰艇结构破坏模式的观察,结合数值模拟,分析了舱内爆炸载荷的特征以及舱内爆炸下舱室板架结构的失效模式。结果表明,舱内爆炸下,舱室板架结构承受的冲击载荷及失效模式与敞开环境爆炸下加筋板结构承受的冲击载荷及失效模式有较大区别,其动态响应难以用敞开环境爆炸下加筋板结构的动态响应描述;舱内爆炸载荷主要有壁面反射冲击波、角隅汇聚冲击波以及准静态气体压力,其中两壁面和三壁面角隅汇聚冲击波的强度分别为相同部位壁面反射冲击波强度的5倍和12倍以上;舱室板架结构主要有4种失效模式,其中模式Ⅲ、Ⅳ较常发生;舱室板架结构加强筋布置在迎爆面将使板架中部的局部破坏程度增加,但有利于削弱角隅汇聚冲击波强度,减小板架沿角隅部位的撕裂破坏。     

爆炸冲击波对人体胸部创伤机理的有限元方法研究

通过建立简化的人体胸部三维有限元模型,模拟爆炸冲击波与人体胸部作用,根据人体胸部各个 器官的不同,选择合理的材料模型和参数,提出LS-DYNA有限元程序局部平面波改进方法,研究爆炸冲击波 与人体胸部作用的力学过程。依据人体胸部各个器官运动的速度差,预测创伤的区域分布;给出肺模型的压、 拉应力及剪切应力的变化规律,分析肺的创伤区域的分布,与解剖实验结果基本一致。对比Bowen创伤曲 线,证明人体胸部三维有限元模型可以有效得到冲击波创伤特征。