双钢板混凝土组合板抗爆性能分析

钢-混凝土-钢组合板是一种新型的组合结构,与传统钢筋混凝土板相比,具有抗剪强度高、延性大、耗能能力强等特点,目前已经被广泛应用于核反应堆安全壳、海洋平台及储油罐等结构。本文中,设计并制作了缩尺的普通钢筋混凝土板和钢-混凝土-钢组合板,开展了在接触爆炸荷载作用下的实验研究,通过损伤分析、跨中最大挠度对比研究不同板的抗爆性能。基于ANSYS/LS-DYNA非线性有限元程序,研究了钢-混凝土-钢组合板的损伤模式、跨中最大挠度等,并与实验结果进行了对比分析,验证了有限元分析模型的准确性和适用性。参数化分析了炸药量、混凝土强度和钢板厚度等参数对钢-混凝土-钢组合板抗爆性能的影响规律。利用多参数回归分析方法,提出钢-混凝土-钢组合板跨中挠度的预测公式。结果表明:提高混凝土强度可以降低结构的塑性损伤, 增加钢板厚度可以有效降低钢-混凝土-钢组合板的跨中最大挠度。相对于普通钢筋混凝土板,钢-混凝土-钢组合板保持了良好的整体性,且具有继续承载的能力。拟合公式能够较好地预测钢-混凝土-钢组合板跨中挠度与药量和钢板厚度的关系。     

波形钢板-混凝土组合剪力墙的非线性有限元分析

以波形钢板-混凝土组合剪力墙的试验研究为基础,利用ANSYS建立了考虑黏结滑移的有限元模型;分析了混凝土墙体和波形钢板在试件加载过程中的受力性能,通过将有限元模型计算与试验所得的荷载-位移曲线进行对比分析,得出计算结果与试验结果吻合较好的结论。研究了栓钉对波形钢板和混凝土变形协调的影响,结果表明:墙体下部栓钉滑移量大于上部栓钉滑移量,可增大下部栓钉强度,以改善波形钢板和混凝土墙体的变形协调关系。分析了不同参数对波形钢板-混凝土组合剪力墙受力性能的影响,包括栓钉直径、栓钉间距、钢板厚度、墙体厚度、轴压比等。分析结果表明:增大栓钉间距会降低组合墙承载力和延性;栓钉直径、波形钢板厚度、配筋率对试件承载力影响不大;波形钢板厚度为2mm或轴压比为0.40时,试件延性明显降低;型钢厚度、墙体厚度、轴压比、剪跨比对试件承载力影响较大。     

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。     

水下接触爆炸下高聚物层对钢筋混凝土板的防护效果

为研究多孔材料高聚物对水下混凝土结构的抗爆防护性能，对含高聚物防护层的钢筋混凝土板开展了水下爆炸实验，并设置了对照组。利用AUTODYN有限元程序建立了含高聚物防护层的钢筋混凝土板水下爆炸全耦合模型，并通过数值模拟结果与实验的对比，验证了所建模型的可靠性。在此基础上，通过数值模拟，进一步分析了前置钢板对高聚物层防护性能的提升效果。以钢筋混凝土板跨中残余位移为指标，参数化分析了起爆药量和复合结构层厚比对高聚物层水下防护效果的影响规律。结果表明：水下爆炸下，高聚物防护层能够有效降低混凝土结构的毁伤程度；在高聚物层外侧布置钢质薄板，可以更好地发挥高聚物层的吸能效果，对钢筋混凝土板起到更好的防护效果，且当高聚物层与前置钢板层厚度比为20时，防护效果最佳。     

爆炸荷载下碳纤维布加固混凝土板的抗弯性能研究

为研究碳纤维布加固混凝土板的抗爆能力,用混凝土HJC动力本构模型,建立了混凝土板、炸药及考虑空气介质影响的流固耦合有限元计算模型.用动力分析软件ANSYS/LS-DYNA,对在爆炸荷载作用下未粘贴碳纤维布以及用碳纤维布加固下的混凝土板的跨中位移及受力性能进行了数值分析.研究结果表明:混凝土板用碳纤维布粘贴加固后抗爆炸冲击能力明显提高,且碳纤维布粘贴在一定层数以内时,其抗爆炸冲击能力与加固层数成正比,继续增加层数时抗爆能力提高不明显,甚至有相反的变化趋势.     

爆炸荷载作用下UHPC板的弯曲损伤评估

为构建爆炸荷载作用下超高性能混凝土（UHPC）板弯曲损伤等级评估的p-I（压力-冲量）曲线：采用条带法进行截面分析，建立了考虑UHPC材料拉/压软化和塑性铰影响的UHPC简支单向板的非线性抗力方程和等效单自由度（ESDOF）理论模型；通过与六炮次爆炸实验中UHPC板的挠度时程，以及UFC 3-340-02和FHWA规范推荐方法的计算结果对比，验证了本文理论模型的可靠性；基于验证的ESDOF模型，构建了评估UHPC板的不同弯曲损伤等级的p-I曲线并开展了参数影响分析，提出并验证了UHPC板弯曲损伤评估的p-I曲线经验公式。结果表明：提高混凝土强度等级和钢筋屈服强度、增加受拉钢筋配筋率和板厚，以及减小净跨均可提升UHPC板的抗爆性能。     

超高性能混凝土HJC本构模型参数确定及应用

在超高性能混凝土的数值模拟中，合理地确定其本构模型参数是提高计算精度和设计可靠度的基础。基于超高性能混凝土单轴压缩试验、霍普金森压杆试验和已有的三轴围压试验等，确定了超高性能混凝土的Holmquist-Johnson-Cook (HJC)本构模型参数。利用LS_DYNA软件模拟单向板爆炸试验，通过与试验中单向板的损伤程度和最大挠度进行对比，验证了已确定参数的有效性。为了进一步了解超高性能混凝土构件的抗爆机理，采用已确定的参数对单向板爆炸工况进行数值模拟，分析配筋和尺寸变化对爆炸结果的影响。结果表明，在爆炸过程中，提高纵筋配筋率可以减小单向板的跨中最大挠度，适当加密箍筋可以减小单向板侧面的斜裂缝长度。超高性能混凝土单向板具有明显的尺寸效应，其中厚度和长度变化对爆炸结果的影响最突出。     

钢板夹芯混凝土组合板界面滑移计算分析

在钢板夹芯混凝土组合板中,界面滑移是影响组合板力学性能的一个重要因素。通过对界面滑移的理论分析,建立了其微分方程;根据截面剪力分布和边界条件求出了任意集中载荷和均布载荷作用下界面滑移的计算公式。采用实验结果对本文公式的合理性进行了验证,最大误差为22.22%。根据计算结果及其比较分析可知:界面滑移沿组合板纵向呈非线性变化,组合板端部界面滑移最大,沿组合板纵向向跨中逐渐减小,跨中界面滑移为零;剪力连接程度、含钢率对界面滑移影响较大,混凝土强度等级对其影响较小;界面滑移随着剪力连接程度的提高、含钢率的降低、混凝土强度等级的提高而减小。     

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.     

方形钢筋混凝土板的近场抗爆性能

为了探讨钢筋混凝土板在爆炸载荷作用下的抗爆性能,对方形钢筋混凝土板在单向支撑条件下进行了近场爆炸加载实验,实验中采取TNT装药对钢筋混凝土板进行加载.并利用AUTODYN软件采用流固耦合算法,建立了混凝土和钢筋三维分离式实体模型,对钢筋混凝土板的动态响应过程进行数值模拟,且考虑应变率对钢筋和混凝土材料的动态本构特性的影...     

POZD涂层方形钢筋混凝土板抗接触爆炸试验研究

为研究聚异氰氨酸酯噁唑烷聚合物高分子材料（polyisocyanate oxazodone，POZD）涂层方形钢筋混凝土板在接触爆炸作用下的破坏模式和抗爆性能，对POZD涂层方形钢筋混凝土板进行接触爆炸条件下试验研究。试验中采用建筑结构中楼面设计常用的钢筋混凝土板为研究对象，通过11次独立的爆炸试验，分析了不同POZD涂层厚度对抗爆性能的影响，观测了钢筋混凝土板在不同装药量和不同POZD涂层厚度条件下的破坏模式和破坏特征，研究结果表明:涂层POZD钢筋混凝土板的主要破坏模式为钢筋混凝土板正面爆炸成坑，背面POZD涂层的圆锥状鼓起。POZD涂层鼓起主要是在爆炸冲击波作用下POZD涂层从基体板脱离并出现较大塑性变形所致。当冲击波荷载强度超过POZD材料的极限抗拉强度时，在涂层锥尖处形成较小的圆孔装剪切破坏，涂层的其他区域保持完好，从而让钢筋混凝土板不会产生较大范围的震塌破坏。在强冲击波荷载作用下利用POZD涂层仍然能够保持大变形、高塑性特性，可以通过自身的大变形很好地延长爆炸荷载的作用时间和耗散时间，吸收较大冲击波能量，从而约束混凝土震塌碎片，提高钢混混凝土板的抗爆性能。随着POZD涂层厚度增加，板的抗接触爆炸作用下的抗爆能力越强，临界震塌破坏装药量越多。研究结果可为工程应用及毁伤评估提供参考。     

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。     

接触爆炸作用下高聚物复合板毁伤特性分析

高聚物材料具有成型快和膨胀性能好的特点，该材料与碎石和钢筋的复合结构应用于地基处理和城市道路脱空除险加固，具有明显优势。本文中，设计并制作了高聚物碎石板和钢筋高聚物板，开展了接触爆炸冲击下的试验研究，通过毁伤尺寸和所测冲击波数据探讨了2种板的毁伤特性。基于ANSYS/AUTODYN非线性显式有限元程序，建立了试验中毁伤更严重的钢筋高聚物板的接触爆炸全耦合模型，并通过与试验结果的对比，验证了所建耦合模型的准确性和适用性。参数化分析了钢筋高聚物板对炸药量和板厚的敏感性，并利用多参数非线性回归分析方法，提出了钢筋高聚物板迎爆面和背爆面破坏直径的预测公式。结果表明：接触爆炸作用下，高聚物碎石板的毁伤模式以接触部位的局部震塌冲切破坏为主，除此之还有一些毁伤裂纹；钢筋高聚物板的破坏模式主要是迎爆面爆坑毁伤、背爆面剥落损伤和中心冲切贯穿破坏。高聚物碎石板和钢筋高聚物板对爆炸冲击波都具有良好的衰减作用，有望应用到抗爆炸冲击防护领域。     

近爆下泡沫混凝土复合结构在地下洞室的抗爆特性数值研究

为研究近爆作用下带泡沫混凝土复合结构的地下洞室的抗爆性能，基于LS-DYNA非线性有限元软件，建立了TNT炸药-围岩-锚杆-衬砌结构-空气的爆炸效应全耦合模型。应用ALE多物质流固耦合算法对比分析了普通衬砌结构洞室和带泡沫混凝土夹层的衬砌结构洞室的重要控制测点的应力、空气层压力和位移。测点峰值应力与TM5-855-1的经验公式吻合良好，证明了数值模拟的可靠性。数值研究结果表明，相比普通混凝土夹层，泡沫混凝土夹层能够有效地削弱爆炸冲击波的传播，大幅降低洞室内部空气的压力峰值，降低超压对人体器官的损伤，提高洞室内部人员的生存几率；采用泡沫混凝土夹层的衬砌需加强拱顶区域的刚度以降低顶底板相对位移差。研究结果为地下洞室抗爆设计提供了参考依据。     

水平荷载下型钢再生混凝土柱-钢梁组合框架受力性能非线性数值分析

在型钢再生混凝土柱-钢梁组合框架拟静力试验的基础上,采用Abaqus软件建立该组合框架有限元模型并进行非线性数值分析,获取组合框架的变形图、应力云图及荷载-位移骨架曲线,分析组合框架的受力破坏特征,验证了有限元模型的合理性,并对组合框架进行了参数分析。结果表明,数值模拟计算值和试验值对比误差较小,数值计算模型能够较好地模拟该组合框架的受力性能;组合框架符合强柱弱梁的破坏机制;另外,提高型钢强度或再生混凝土强度对组合框架承载力和刚度有利,但对其变形能力不利;框架承载力和刚度随着梁柱线刚度的增加而提高;增大轴压比对于组合框架的抗震性能和延性不利。研究结论可为该类绿色组合框架的工程应用提供参考。     

泡沫铝防护钢筋混凝土板的抗爆性能

为研究多孔吸能材料泡沫铝板对工程结构的抗爆防护作用，开展室外爆炸破坏实验，分别对设置不同泡沫铝防护层的钢筋混凝土（reinforced concrete，RC）板在爆炸荷载下的动态响应及破坏模式进行了研究，并运用LS-DYNA软件建立了有限元模型。通过与实验对照，验证了模型的可行性，对比分析了有、无泡沫铝防护层钢筋混凝土板的损伤破坏规律，并讨论了泡沫铝密度梯度分布和纵筋配筋率的影响。结果表明:有限元模型能够有效分析含泡沫铝防护层RC板的动态响应及其破坏形态；泡沫铝防护层能够有效减小钢筋混凝土板的挠度变形，降低试件的破坏程度；泡沫铝密度由下到上递增情况对RC板的减爆效果最好；增大配筋率可以提升泡沫铝防护RC板整体抗爆性能。     

方钢管型钢再生混凝土组合短柱轴压性能非线性分析

在方钢管型钢再生混凝土组合短柱轴心受压试验研究的基础上,选择合理的再生混凝土和钢材本构模型,结合现有结构非线性分析理论,采用Abaqus有限元软件建立该组合短柱的有限元模型,并对该短柱轴压性能进行全过程非线性分析。主要研究其破坏形态、应力分布及荷载-应变关系曲线,分析再生骨料取代率、方钢管宽厚比、型钢配钢率和再生混凝土强度对该短柱轴压性能的影响规律,并将其与试验结果进行对比,同时对短柱进行有限元参数分析。结果表明,有限元计算结果与试验结果吻合较好,该有限元模型能较好地模拟方钢管型钢再生混凝土组合短柱轴压性能;组合柱轴向承载力随再生骨料取代率的增加而有所降低,而随方钢管宽厚比、型钢配钢率和再生混凝土强度的增加而增加。总体上看,该组合短柱承载力高,变形能力较好,研究结论可为方钢管型钢再生混凝土组合柱的工程应用提供一定参考。