高温影响的钢管混凝土柱抗爆性能研究

火灾与爆炸通常相伴发生,对工程结构安全造成了严重威胁。为研究高温下钢管混凝土柱抗爆性能,采用ABAQUS有限元软件建立了ISO 834标准火灾作用下钢管混凝土柱抗爆模型。在验证有限元模型可靠性基础上,首先分析了标准火灾作用下钢管混凝土柱抗爆工作机理;其次重点研究了受火时间、材料强度、含钢率以及爆炸当量对构件在标准火灾下抗爆性能的影响。研究结果表明:火灾作用下两端固结的钢管混凝土柱受爆炸荷载时,柱两端首先发生剪切破坏,随后整体发生受弯破坏;随着受火时间增加,钢管耗能占比降低,混凝土塑性变形逐渐成为主要耗能机制;混凝土强度、爆炸当量与轴压比对钢管混凝土柱高温下抗爆性能影响明显,当混凝土立方体抗压强度从30 MPa增加到50 MPa,常温与受火90 min构件抗爆性能分别提高约21%与42%。     

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。     

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。     

FRP-混凝土-钢双壁空心管柱抗冲击性能研究与机理分析

FRP-混凝土-钢双壁空心管柱（FRP-concrete-steel double skin tubular columns）目前已在桥梁墩柱中得到应用，抗冲击性能是其推广应用的重要指标。为此，基于前期试验，采用ABAQUS软件建立了考虑轴力与侧向冲击耦合影响的有限元模型。首先，分析了轴力-冲击联合作用下该类构件的抗冲击机理；其次，重点研究了FRP厚度和缠绕角度、轴压比、冲击速度、空心率、内钢管径厚比与材料强度对抗冲击性能的影响；最后，给出了轴力-冲击耦合作用下构件动力放大系数的计算公式。结果表明，混凝土的塑性变形是构件抗冲击的主要耗能机制；轴力对构件抗冲击性能有明显影响，当轴压比大于0.7时，轴力对抗冲击性能有削弱作用；内钢管径厚比对构件抗冲击性能影响较小；建议的计算公式可较好地预测该类构件的抗冲击承载力。     

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。     

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。     

长期持荷工况下钢管混凝土构件的抗撞击性能

为研究长期荷载作用对钢管混凝土构件抗撞击性能的影响,利用有限元软件ABAQUS建立了长期荷载与侧向撞击荷载作用的耦合分析模型以及撞击后剩余受压承载力计算模型。对比了一次加载模式下和长期荷载作用下构件遭受撞击的动力响应,采用剩余受压承载力系数量化分析了两种加载模式下构件的剩余受压承载力。典型的有限元模型分析表明:相较于一次加载模式,考虑长期荷载作用时撞击力峰值和平台值下降,撞击时间延长,构件跨中挠度增大,但撞击力对构件做功基本保持不变;考虑长期荷载作用的撞击过程轴向荷载做功比一次加载模式增大,增加的功主要通过外钢管的塑性变形耗散,核心混凝土贡献较小;长期荷载作用下构件的剩余受压承载力系数均低于一次加载模式,撞击条件相同时,一次加载模式下撞击后可以继续承载的构件在考虑长期荷载作用时可能会丧失承载能力;提高含钢率和钢材屈服强度、降低长期荷载比可有效减小长期荷载对构件抗撞击性能的不利影响。     

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。     

方钢管型钢再生混凝土组合柱轴压性能试验研究

为研究方钢管型钢再生混凝土组合柱轴压性能,设置了长细比、再生骨料取代率、再生混凝土强度、型钢配钢率和方钢管宽厚比等参数,对13个试件进行单调静力加载试验,观察试件破坏过程及破坏形态,获取试件荷载-位移和荷载-应变曲线,分析设计参数对组合柱轴压受力性能的影响。结果表明:试件的破坏顺序均为型钢首先被压屈,随后再生混凝土被压碎,最后的破坏是因为钢管外表面发生鼓屈而丧失轴压承载力;提高长细比、钢管宽厚比和再生粗骨料取代率,组合柱轴压承载力的最大降幅分别为10.7%、24.8%和9.9%;相反,提高再生混凝土强度和型钢配钢率,组合柱的轴压承载力最大提高幅度分别为19.7%和14.3%;总体上看,试件均表现出较高的承载力和良好的变形能力。在此基础上,参考国内外相关规程,采用叠加原理,建立了方钢管型钢再生混凝土组合柱的轴压承载力公式,并验证了计算公式的有效性。     

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。     

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。     

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。     

冲击荷载与火灾联合作用下SFRC梁的力学行为

为了探究冲击荷载与火灾联合作用下钢纤维混凝土(steel fiber reinforced concrete, SFRC)梁的力学性能，联合应用高性能落锤试验系统、四点弯曲实验装置与装配式电炉开展了4根SFRC梁的冲击实验与高温恒载实验，观察了其破坏模式并记录了跨中位移和钢筋应变的时程曲线，探讨了冲击损伤SFRC梁的抗火性能。此外，在实验研究的基础上，考虑材料的应变率强化效应及温度软化效应，建立数值模型，首先对梁进行冲击加载模拟，并以冲击模拟结果为初始状态，采用热-力“顺序”耦合方法，对冲击加载与高温恒载联合作用下SFRC梁的力学行为进行了三维宏观有限元数值模拟。同时，考虑混凝土内部结构非均质性的影响，采用类似步骤，开展了细观模拟。宏/细观模拟结果与实验结果的良好吻合验证了本文数值方法的合理性与有效性，并体现了细观方法的优越性。研究发现，冲击能量较小时，SFRC梁在冲击荷载作用下，尽管局部混凝土开裂，梁整体残余变形较小，抗火性能有一定程度的下降；随着钢纤维掺量增大，混凝土基体抗剪强度增大，SFRC梁在冲击荷载作用下的开裂形态由弯剪裂缝并存向以弯曲裂缝为主转变；冲击损伤SFRC梁在高温恒载作用下裂缝分布较为集中，且发生脆性破坏。     

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。     

CALCULATION METHODS ON CRACK RESISTANCE CAPACITY OF CONNECTION COMPOSED OF CSSEUHSC COLUMNS AND SEC BEAMS

In order to investigate the calculation methods on crack resistance capacity of connection composed of cross shaped steel encased ultra high strength concrete (CSSEUHSC) columns and steel encased concrete (SEC) beams under cycle loads, six interior connection specimens were tested in the laboratory. A discussion on the crack resistance capacity was presented. Calculation methods of crack resistance capacity were deduced based on the experimental case and calculation results were in good agreement with the experimental results. The research results indicated that parameters of connection composed of CSSEUHSC columns and SEC beams with better crack resistance performance may be referred for engineering application.