火灾与撞击联合作用下钢管混凝土柱力学性能研究

为研究火灾高温与撞击联合作用下钢管混凝土柱的力学性能,基于ABAQUS建立了高温作用下考虑轴力影响的钢管混凝土柱侧向撞击有限元模型。首先,对高温与撞击联合作用下考虑轴力影响的钢管混凝土柱的破坏模式与受力全过程进行了分析,探讨了高温下钢管混凝土柱的抗撞性能与工作机理;其次,重点研究了受火时间、材料强度、含钢率以及撞击能量对抗撞性能的影响,并给出了相关设计建议。研究结果表明:高温与撞击联合作用下,钢管混凝土柱主要发生受弯破坏;受火15 min后,构件抗撞性能明显降低。轴压力对构件抗撞性能产生不利影响,轴压比从0增加到0.2,受火60 min构件抗撞性能下降了7.8%;混凝土强度对高温下钢管混凝土柱抗撞性能有显著影响,受火90 min后,混凝土强度由30 MPa增加到50 MPa,构件抗撞性能提高约85%;外钢管强度与含钢率对高温下抗撞性能影响不大。     

圆形中空夹层钢管超高性能钢纤维混凝土柱抗爆性能野外实验与数值模拟

通过6根圆形中空夹层钢管超高性能钢纤维混凝土(UHPSFRCFDST)柱爆炸破坏实验,研究了轴压、折合距离、空心率和迎爆面形状对其动态响应及损伤破坏的影响,并运用LS-DYNA软件建立了爆炸荷载作用下UHPSFRCFDST柱动态响应的有限元模型。在验证了模型有效性的基础上,运用参数化分析方法,研究了轴压比、空心率、含钢率、内层和外层钢管径厚比及其强度等关键参数对圆形UHPSFRCFDST柱抗爆性能的影响。结果表明:有限元模型能够有效地分析UHPSFRCFDST柱在爆炸荷载作用下的动态响应及损伤破坏;在小于临界轴压时,提高轴压比能够提升UHPSFRCFDST柱抗爆性能,但超过临界轴压后继续提高反而会加重其损伤破坏;减小空心率或内、外层钢管径厚比均可有效提升UHPSFRCFDST柱的抗爆性能,提高含钢率或外层钢管强度也能达到相同效果,但提高内层钢管强度对其抗爆性能的提升作用并不显著。     

火灾下双钢板-混凝土组合墙抗冲击机理分析与挠度预测

双钢板-混凝土组合墙（steel-concrete composite wall, SC wall）常用于核电站、超高层等重要结构的承重构件,其在偶然荷载作用下的力学性能也是其推广应用的关键指标。为此,针对火灾下SC墙的抗冲击性能进行研究并给出相关设计建议。首先建立了SC墙在火灾与冲击耦合作用下的有限元模型,在验证模型可靠性基础上,开展了火灾下SC墙抗冲击机理的分析;然后研究了轴力、受火时间、材料强度、冲击能量与抗剪连接件形式等参数对SC墙在火灾下抗冲击性能的影响规律;最后给出了该类构件在耦合工况下跨中峰值挠度的预测公式。结果表明：随着受火时间的增加,SC墙受冲击变形模式由局部冲切逐渐转变为整体弯曲破坏;火灾下,混凝土为SC墙受冲击的主要耗能部件;混凝土强度、轴力与抗剪连接件形式对SC墙在高温下的抗冲击性能影响显著,钢板强度的影响则较小;建议的公式可较合理地预测火灾下SC墙受冲击后的跨中峰值挠度。     

火灾下圆钢管混凝土柱非线性有限元分析

首先提出合理的火灾下钢管混凝土拉、压材料数值热-力耦合本构模型及相应的计算方法;然后基于连续介质力学,推导火灾下U.L.列式虚功增量方程,采用非线性梁单元理论,给出火灾下钢管混凝土柱非线性有限元方程组的求解方法,编制非线性有限元程序NACFSTLF;最后对已有火灾下钢管混凝土柱的试验资料进行双重非线性有限元分析并考察钢管混凝土柱初始缺陷对其抗火性能的影响。分析结果表明:火灾下钢管混凝土柱的轴向变形-火灾时间曲线的计算结果基本上反映钢管混凝土柱的变形特性,而计算的耐火极限基本上是试验结果的上限;同时随着火灾下柱初始缺陷的增大,相同火灾时间下柱的跨中侧向挠度变形逐渐增大,耐火极限逐渐降低,而对柱的轴向变形影响相对较小。     

高温作用下钢管混凝土构件侧向撞击性能

通过耦合ABAQUS有限元软件中的隐式静态分析和显示动态分析，提出钢管混凝土构件在火灾与撞击联合作用下的数值计算方法，分别对已有钢管混凝土构件的温度场试验、火灾下轴向撞击试验和常温下侧向撞击试验进行数值模拟，以验证本文方法的合理性。在此基础上建立了钢管混凝土构件在不同温度下的侧向撞击有限元模型，分别对不同温度下的挠度和撞击力时程曲线进行对比，采用极值后平均撞击力和吸能系数对高温作用下构件的抗侧向撞击性能进行量化分析，并分析了600 ℃下构件撞击全过程。结果表明:温度对钢管混凝土构件的侧向撞击性能影响明显，随着温度升高，构件跨中挠度大幅增加，撞击时程变长；高温下构件的撞击力时程曲线与常温下差异明显，高温下曲线可分为震荡阶段、下降阶段和卸载阶段；构件主要通过整体弯曲变形吸收落锤的动能，随着温度升高，极值后平均撞击力和吸能系数逐渐降低，表明构件的抗撞击性能逐渐降低，当温度超过400 ℃后，构件抗撞击性能损失严重。     

钢管混凝土柱抗火性能的试验研究

对2个钢管混凝土柱进行了抗火性能的试验研究。试验采用足尺试验形式,柱长3800mm,钢管外部有20mm厚砂浆保护层。通过试验,得出钢管混凝土柱的截面温度场分布规律和耐火极限。试验结果表明,砂浆保护层的存在使得钢管表面温度比炉内温度降低大约300℃～500℃,提高了钢管混凝土柱的耐火极限。钢管混凝土柱第一次受火达到炉内最高温度810℃,没有破坏,冷却到常温,第二次受火,柱子破坏,破坏时炉内最高温度为828℃。与一次受火破坏钢管混凝土柱相比较,炉内最高温度降低了122℃,二次受火钢管混凝土柱耐火极限温度明显降低。上述结果可为今后结构抗火性能的研究提供依据。     

单钢板混凝土剪力墙抗爆性能研究

钢板混凝土剪力墙作为一种新型的抗侧力构件，具有良好的耗能能力和抗冲击性能，已逐渐应用于建筑工程结构的抗震和防护结构的抗爆设计。设计了3个试件，分别为普通钢筋混凝土板、单侧钢板混凝土板和夹心钢板混凝土板，开展了钢板混凝土剪力墙的接触爆炸试验，并通过非线性程序LS-DYNA建立了3个钢板混凝土剪力墙试件的数值模型，对比分析了不同试件在接触爆炸作用下的动态响应、破坏模式和抗爆性能。试验和数值分析结果表明:接触爆炸作用下，试验设计的3种试件呈现3种破坏模式；普通钢筋混凝土板中部发生混凝土贯穿破坏，钢筋发生较大弯曲变形；单侧钢板混凝土板由于栓钉拔出发生钢板和混凝土分离，丧失整体性和继续承载能力；夹心钢板混凝土板发生上层混凝土压碎，夹心钢板、上层和下层混凝土板连接性能较强，整体性较好，具有继续承载的能力，且夹心钢板混凝土板跨中挠度和混凝土碎块飞溅距离较小。单侧钢板混凝土板和夹心钢板混凝土板配置钢筋网可以显著增强混凝土层和钢板的连接性能，有效减小上下层混凝土的碎裂和剥落，增强其整体性和抗爆性能。     

内爆炸下钢管混凝土结构变形与破坏的试验分析及数值模拟

钢管混凝土结构由于具有良好的力学性能和低经济成本而受到广泛应用,因此对它的研究很多,但对它在爆炸作用下尤其是内爆炸作用下的研究很少,故分析钢管混凝土结构在内爆炸下的变形与破坏具有重要意义.本文通过试验与数值模拟方法,分析了内爆炸下钢管混凝土结构在具有二条预制狭缝时的变形与破坏情形.结果表明,钢管变形主要发生在靠近狭缝处,变形大小随药量的增加而增大,最终导致钢管在狭缝两端出现约45°方向的裂纹,引起钢管混凝土剪切破坏.     

聚脲加固砖填充墙抗爆性能的试验和分析方法研究

为了掌握聚脲喷涂加固砖填充墙的抗爆特性,基于一种改进的大型爆炸试验装置,开展了聚脲加固框架砖填充墙的原型爆炸试验,分析了爆炸荷载作用下加固砖墙的动力响应特征和破坏过程及模式,揭示了其失效破坏机理。研究结果表明,聚脲加固可大幅提升填充墙构件的抗爆性能,显著增加填充墙构件的变形延性;加固砖墙受爆炸荷载作用发生振动的过程其体系刚度不断变化,最高相差133%;随着比例距离降低,加固砖墙的破坏模式逐渐由弯曲破坏转为剪切破坏,聚脲厚度超过6 mm可以有效限制局部剪切破坏现象;基于砖墙和聚脲涂层的抗力函数建立的理论计算模型,可以较为准确地预测爆炸作用下背爆面加固双向砖墙的正向位移响应过程。     

GFRP管约束钢管混凝土加劲混合柱偏压力学性能试验研究

为改善钢管混凝土加劲混合构件因钢管内外混凝土存在力学差异，组合效应较低的不足，采用玻璃纤维增强复合材料(GFRP)管对其进行约束，研究了GFRP管约束钢管混凝土加劲混合柱(FCECFST)的偏压力学性能，将FCECFST与普通钢管混凝土加劲混合柱、GFRP管约束钢筋混凝土柱和钢管混凝土柱进行偏压试验对比，通过荷载-变形曲线、侧向挠度分布曲线和荷载-应变曲线剖析了试件破坏机理。研究结果表明：FCECFST偏压破坏以环向纤维断裂为标志；相比其他3种组合构件，FCECFST荷载-变形曲线峰值更高且下降段更平缓，表现出良好的极限承载力、抗弯刚度、延性性能和耗能能力；GFRP管对外围混凝土约束作用明显，对试件偏压力学性能影响显著。     

蜂窝钢管混凝土抗侵彻性能实验研究

为了研究蜂窝钢管混凝土的抗侵彻性能，采用125 mm口径滑膛炮开展了蜂窝钢管混凝土靶侵彻实验共6发，获得了不同工况时靶板破坏形态及侵深数据，分析了蜂窝钢管混凝土的典型破坏形式，对比了不同弹靶尺寸因数时靶板破坏形式的区别以及着靶点和钢管壁厚对蜂窝钢管混凝土抗侵彻能力的影响。同时，对7组不同壁厚的六边形钢管混凝土和3组六边形无钢管混凝土柱进行了单轴压缩实验，研究了不同壁厚时六边形钢管对核心混凝土强度及延性的增强效应，拟合了核心混凝土强度增强因数同围箍因数的关系，并改进普通混凝土侵深的经验公式，得到了适用于蜂窝钢管混凝土的最大侵深计算公式。结果表明：钢管壁厚是影响侵深的重要因素，壁厚越大，侵深越小；着靶点位置对侵深的影响较复杂，具有离散性；着靶点位置对靶体表面破坏形式影响较大；钢管可以有效增加核心混凝土的强度和延性；改进后的侵深计算公式可以预测弹体对蜂窝钢管混凝土靶的最大侵深。     

新型格构式钢骨混凝土柱的轴压性能研究

提出了一种由格构式钢骨及钢筋混凝土所组成的新型LSRC(latticed-steel-reinforced-concrete,格构式钢骨约束混凝土)柱。通过对4个试件的轴压试验分析,对比CFTEC(con-crete-filled steel tube with encased concrete,外包混凝土的钢管混凝土)柱与LSRC柱的力学性能,探究了不同缀板间距对LSRC柱跨中应变的影响。此外,利用有限元软件对试件建立三维模型,阐述了LSRC柱在压力荷载下的破坏过程和各部件间的相互作用。结果表明:与CFTEC柱相比,由于LSRC柱中的钢筋笼能够有效延缓柱外包混凝土的破坏,其具有更高的承载能力和强重比。同时,LSRC柱对跨中角钢材料的抗压性能利用更为充分,但缀板间距的增大将会降低其跨中外包混凝土的约束作用。此外,利用有限元软件建立的模型能够准确模拟LSRC柱在弹塑性阶段的力学性能,柱中的钢筋笼及内侧角钢均具有良好的约束作用。基于试验和有限元结果,提出了LSRC柱的承载力计算公式,其预测值与有限元结果吻合良好。     

方钢管混凝土短柱轴心受压承载力的神经网络模拟

由于方钢管混凝土的侧向约束机构复杂,对方钢管混凝土柱强度承载力的计算至今仍没有一种统一的方法。本文拟采用神经网络方法对轴心受压方钢管混凝土短柱的承载力进行模拟。以混凝土抗压强度、钢管的屈服强度、套箍指标、截面尺寸和宽厚比等五个参数为网络输入,以构件的极限承载力为网络输出,构建多层前馈神经网络来描述它们之间的非线性关系。利用55组试验数据对网络进行训练和测试,并将其预测值与三种承载力计算模型的预测值进行比较。对比结果表明本文建立的神经网络模型对55组试验数据给出了最好的模拟精度,可作为预测方钢管混凝土柱承载能力的一种新方法。     

基于动力放大系数与等效单自由度体系的圆中空夹层钢管混凝土抗撞设计方法

中空夹层钢管混凝土（concrete-filled double-skin steel tubular,CFDST）构件作为超高输电塔、海上平台等重要结构的承重构件,其抗撞性能是设计阶段需考虑的关键问题。因此,在前期试验研究的基础上,采用ABAQUS有限元软件建立了200个圆CFDST柱力学模型,并进行了轴力与撞击耦合作用下的抗撞机理分析,研究了在0~0.7轴压比下不同名义含钢率、空心率、截面直径、材料强度对构件抗撞性能的影响规律;基于动力放大系数和等效单自由度方法提出了构件抗撞承载力计算公式,并预测了撞击作用下构件的跨中动力响应。结果表明:在0~0.7轴压比下,名义含钢率、外径、外钢管强度、撞击速度与撞击质量对构件跨中挠度峰值和撞击力平台值影响显著,空心率与混凝土强度影响较小;提出的简化计算方法能较好地预测圆CFDST构件的抗撞承载力和跨中位移响应。     

高温下钢管自密实混凝土界面接触热阻试验研究

钢管混凝土结构的火灾性能研究通常要考虑钢管和混凝土的界面接触热阻问题,本文对钢管自密实混凝土柱的界面接触热阻进行了试验研究。制作了8个钢管自密实混凝土柱,依据Fourier定律和Newton冷却定律得到了钢管混凝土界面接触热阻的求解方法。利用有限元和多项式拟合外推得到界面温度,得出钢管混凝土接触热阻随着钢管界面温度的变化规律。试验结果表明,未受载的钢管自密实混凝土界面接触热阻平均值范围在0.002~0.01m2·K/W,与其他文献结果相比有一定可靠性。     

侧向撞击荷载作用下内八边形空心钢筋混凝土柱的动力响应

相比于实心钢筋混凝土柱，空心钢筋混凝土柱具有自重轻和截面扩展好等优点，被广泛地用作桥墩，由此其不可避免地会受到船舶的撞击。本文中进行6根内八边形空心钢筋混凝土柱和4根内衬八边形钢管空心钢筋混凝土柱的动力响应的实验。在实验中记录了构件破坏形态、撞击力时程曲线和跨中位移时程曲线，并从撞击高度、边界条件和钢板厚度等方面分析了构件的耐撞性能。结果表明:内八边形钢筋混凝土柱和内衬八边形钢管空心钢筋混凝土柱在撞击荷载作用下的破坏形态主要分为两种破坏类型，分别为局部型破坏和整体型破坏；撞击高度越大构件破坏越严重；两端固定对构件的耐撞击性能有提升作用；钢管厚度对构件的耐撞击性能有较明显的提升作用。