接触爆炸作用下钢板钢纤维钢筋混凝土遮弹层设计方法(II)

在试验分析基础上 ,采用单自由度体系模型 ,此模型考虑了在钢纤维钢筋混凝土组合板局部破坏时 ,钢纤维的抗拔作用、钢筋的抗剪、钢板薄膜力作用和柔性土介质的耗能等主要影响因素。给出了能够用于钢板 钢纤维钢筋混凝土遮弹板接触爆炸下的极限设计分析的实用方法。     

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。     

含装甲钢和陶瓷板的钢纤维砼复合靶的抗侵彻实验研究

为考察装甲钢板和陶瓷板的抗侵彻特性,在钢纤维混凝土靶中分别加入两种不同厚度的装甲钢板和陶瓷板振动成型。在57mm轻气炮上进行了小尺寸射弹侵彻钢纤维砼复合靶试验,测量了不同速度的射弹在不同靶中的侵彻深度。研究表明,当装甲钢板的厚度在5mm范围内,射弹速度超过400m/s时,装甲钢板的厚度对侵彻深度的影响不明显。对含陶瓷板的钢纤维砼,当射弹超过一定速度时,射弹弯曲断裂。通过分析给出了射弹残余弹长与射弹的密度、射弹的动态屈服强度和垂直撞击陶瓷板的速度的函数关系,理论结果与实验数据基本一致。     

高强高含量钢纤维混凝土抗侵彻性能试验研究

用试验方法研究分析了各种钢纤维含量的高强钢纤维混凝土与素混凝土抗侵彻性能的异同之处。试验结果表明 ,高强高含量钢纤维混凝土与素混凝土相比 ,具有良好的抗侵彻性能。这主要是因为在混凝土中掺加大量钢纤维后 ,材料的抗压强度及抗冲击韧性大幅提高的结果。     

弧形双钢板混凝土组合板抗爆性能数值研究

依据规范设计了3种不同连接件的弧形双钢板混凝土组合板,基于ANSYS/LS-DYNA非线性有限元程序研究了弧形双钢板混凝土组合板在近场爆炸作用下的损伤模式、跨中位移变化以及能量消耗状况等,对比研究了3种不同板的耗能状况及损伤机理。以背爆面钢板跨中位移为指标,分析了用药量、混凝土强度和钢板厚度等参数对弧形双钢板混凝土板抗爆性能的影响规律。结果表明:在近场爆炸作用下,弧形板均保持良好的整体性,没有出现混凝土飞散现象,仍具有持续承载能力,比传统平面双钢板混凝土组合板具有更加优异的抗爆性能;重叠栓钉的连接性能强于栓钉,稍弱于对拉螺栓;提高混凝土强度不能改善混凝土的损伤状况,但能减小跨中位移;增加钢板厚度能显著减小钢板跨中位移,提高弧形双钢板混凝土组合板的抗爆能力。     

核工程钢板混凝土墙防撞击贯穿实用计算方法

针对带对拉钢筋的双钢板混凝土墙，研究了双钢板混凝土墙防贯穿计算方法，建立了基于能量法的防贯穿计算公式。在已知弹体和钢板混凝土墙体材料与几何相关参数时，利用防贯穿实用计算公式可对带对拉钢筋的核工程双钢板混凝土墙体贯穿速度以及弹体剩余速度进行计算，避免了复杂的结构抗撞击反应动力时程数值分析。为验证公式的可靠性，将公式计算结果与已有刚性弹体撞击双钢板混凝土墙实验结果及其动力有限元计算结果进行对比，结果表明:防贯穿实用计算公式可以正确判断双钢板混凝土墙的贯穿状态，实用计算公式给出的弹体剩余速度与实验结果符合良好。为进一步验证公式的适用范围，将公式计算结果与共10个工况的飞机发动机撞击双钢板混凝土墙的有限元计算结果进行了对比分析，结果表明:除1个工况计算结果偏差略超10%外，其余工况的偏差均在10%以内，说明该计算方法合理可行。     

正交各向异性组合圆板非经典理论抗爆效应解析解

对正交各向异性组合圆板进行动力分析，建立了基本振动方程，给出了自由振动与强迫反应解析解，并对这类钢板－混凝土组合圆板计算特点与力学性能进行了讨论，为实际工程设计与计算提供了一种简便而实用的计算方法。     

钢纤维混凝土抗侵彻与贯穿特性的实验研究

为考察素混凝土及钢纤维混凝土（钢纤维为平直型与端钩型,体积分数0.01~0.05）抗侵彻贯穿特性,采用12.7 mm弹道炮-测速靶系统开展了初速297~848 m/s的弹道冲击实验,获得了弹丸着靶速度及对应的最大侵彻深度、弹坑直径、靶体（板）破坏形态等实验参数,并利用高速摄影系统记录了靶体（板）的动态破坏过程。实验结果的对比表明,靶板的抗侵彻贯穿性能和破坏模式与钢纤维类型及含量密切相关。当钢纤维体积分数为0.05时,端钩型钢纤维混凝土的侵彻深度与相同强度等级素混凝土相比降低约52%,且贯穿破坏后靶板碎片的数量及飞散角度大幅降低,显示了高含量异型钢纤维混凝土在抗侵彻贯穿方面的适用性。     

侵彻爆炸作用下钢纤维混凝土结构的破坏模式

基于大口径发射平台进行了155 mm杀伤爆破榴弹毁伤钢纤维混凝土结构的试验,得到了打击不同位置时结构的破坏情况;结合LS-DYNA数值模拟,分析了不同打击位置和不同命中速度下钢纤维混凝土结构的毁伤效应,讨论了侵彻与爆炸联合作用下钢纤维混凝土结构的损伤过程和破坏模式。结果表明：钢纤维混凝土结构在155 mm榴弹作用下,配置钢筋的顶板和侧墙发生较轻的爆炸成坑破坏,无配筋的前墙发生严重的爆炸震塌破坏。SPG (smooth particle Galerkin method)-结构化ALE (arbitrary Lagrange-Euler)(S-ALE)流固耦合算法能够有效预测钢筋混凝土结构在侵彻和爆炸共同作用下的损伤发展过程和破坏模式。大口径弹体侵彻有限边界靶的加速度时程曲线特征为突增骤减单峰值形式,弹体速度呈现先快速降低后缓慢减小的特征;靶标在基于侵彻损伤的爆炸作用下,主要破坏模式为混凝土块大量崩塌和裂缝的生长,且随着侵彻速度的增加,爆炸造成的毁伤由局部破坏向结构整体破坏发展;混凝土破碎区内,垂直于弹体的钢筋在侵彻作用下达到屈服,板顶和板底的钢筋在爆炸后达到屈服。     

钢纤维混凝土受拉性能实验方法研究

在分析国内外钢纤维混凝土受拉性能实验研究存在困难的基础上,提出了新的实验方法——钢纤维混凝土环状试件,在内油压作用下的受拉性能实验研究。通过实验装置的合理设计及正确的实验步骤,成功地测出了钢纤维混凝土环状受拉应力－ 应变全过程曲线,为深入研究钢纤维混凝土受拉性能提供参考依据。     

基于粘聚力理论的CFRP加固钢板剥离机理研究

碳纤维增强复合材料（CFRP）加固钢板时,CFRP端部往往会发生剥离破坏而导致失效,文中重点研究了CFRP加固钢板的机理。首先根据粘聚力理论建立了CFRP加固钢板的有限元模型;然后对CFRP加固钢板进行了静态拉伸试验研究,并利用试验数据验证了有限元模型;最后基于有限元模型对CFRP剥离破坏进行了机理研究。分析结果表明：采用粘聚力理论建立的有限元模型可以准确模拟胶层剥离机理;胶层剪应力是胶层剥离破坏主要因素,整个过程经历了弹性变形、胶层软化和胶层剥离三个阶段;胶层剥离破坏从CFRP端部开始,逐渐向中间发展,最终导致胶层完全失效。     

蜂窝遮弹层抗弹丸侵彻实验研究

为研究蜂窝遮弹层的抗弹丸侵彻性能,采用15 mm弹体对六边形单元蜂窝遮弹层结构进行了侵彻实验研究。实验结果表明,同钢筋混凝土遮弹层相比,蜂窝遮弹层的破坏仅发生在弹靶接触的六边形单元内,且破坏面积较小,同时弹体在侵彻蜂窝遮弹层过程中易发生偏航现象。应用应力波传播理论分析了实验结果,主要是六边形单元对其内的混凝土约束作用及其自身阻隔作用,使混凝土抗压强度和弹体在侵彻过程中受到的阻力增大,从而减小了弹体的破坏效应。     

钢纤维钢筋混凝土板爆炸局部破坏效应

在前人的实验基础上,针对中高强钢纤维钢筋混凝土板接触爆炸破坏效应进行了94炮野外化爆实验,详细介绍了实验参数设计,系统分析了不同装药量及结构参数条件下钢纤维钢筋混凝土板接触爆炸破坏特征,即爆炸成坑、临界震塌、爆炸震塌、临界贯穿和爆炸贯穿。得出了钢纤维钢筋混凝土板接触爆炸5种典型破坏形态及其相应的破坏参数指标值,对爆炸成坑和结构震塌的主要影响因素得出了初步结论,为爆炸局部破坏分级及结构抗局部破坏设计提供了实验依据。     

防空掩体头部内粘钢板加固技术可行性分析

基于原有的防护工程中,大多数工程结构的抗爆炸能力较低,为了适应现代常规战争的需要,务必对这些工程结构进行加固改造,以增强结构抗爆炸的能力,文中对钢筋混凝土结构内粘钢板的模型进行了三次爆炸模拟试验,并对钢筋混凝土-钢板组合结构的试验现象进行了理论分析,用应力波理论说明了由于钢板加固后,钢筋混凝土内很难产生大的拉应力,故钢筋混凝土内表面不再出现拉裂破坏,增强了结构的抗爆炸能力。进而推断防空掩本头部内粘钢板加因以极大增强抗航、炮弹能力的可行性,试验结果与理论分析表明,作者认为该加固技术是可行的,试验结果对国内原有防护工程的加固改造有一定的指导价值。     

一种新形式的钢纤维混凝土冲击动态本构关系及材料参数的确定

采用?75 mm大口径SHPB系统进行了钢纤维体积率为0%、0.75%、1.5%三种混凝土材料动态性能实验,得出了不同钢纤维含量、不同应变率下的材料应力-应变关系曲线,实验结果表明:随着纤维含量及应变率的增加,钢纤维混凝土材料的峰值应变、峰值应力都随之提高,并在峰值应力之后出现应力的应变软化现象。以此实验结果为基础,提出了一种依赖于应变和应变率相关函数的新型非线性黏塑性动态本构关系,并通过对实验曲线的三步逐次最小二乘优选模拟,得到了相应的材料参数。结果表明,该本构关系对实验数据的模拟效果较好。     

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。     

Homogenised constitutive model coupling damage and debonding for reinforced concrete structures under cyclic solicitations

A new stress resultant constitutive model for reinforced concrete plates under cyclic solicitations is presented. This model is built by the periodic homogenisation approach using the averaging method and couples damage of concrete and periodic debonding between concrete and steel rebar. In one-dimensional situations, we derive a closed-form solution of the local problem useful to verify and set up the plate problem. The one dimensional macroscopic constitutive model involves a limited number of parameters, the sensibility of which is studied. Comparison to experimental results underlines the pertinence of the model by considering internal debonding in order to properly represent the mechanical dissipation occurring during cyclic loadings on reinforced concrete panels.     

火灾下混凝土结构破坏模拟的纤维梁单元模型

为分析和模拟结构构件在火灾下的失效破坏过程,本文基于建筑结构分析中常用的纤维梁单元模型,建立了钢筋混凝土梁、柱构件的火灾破坏数值模型.此模型将构件截面划分成多个纤维,从而可以模拟构件截面的不均匀温度场分布以及高温下混凝土材料的开裂、压碎和钢筋屈服等行为.并根据全拉格朗日描述方法,推导了纤维梁单元的切线刚度矩阵,建立了纤维梁单元的增量求解方程.最后,将本文模型的模拟结果和多个具体试验结果进行了分析比较,进一步验证了模型的可靠性.     

局部屈曲FRP增强薄壁钢管混凝土抗震性能

为了研究FRP(Fiber Reinforced Polymer)增强薄壁钢管混凝土的抗震机理,提出FRP约束钢管局部屈曲应力-应变关系并建立FRP约束钢管恢复力模型,在此基础上建立FRP增强薄壁钢管混凝土柱滞回模型,开展FRP增强薄壁钢管混凝土柱拟静力试验以验证滞回模型的合理性,同时考查FRP布置方式对柱体抗震性能的影响,利用滞回模型对FRP增强薄壁钢管混凝土的耗能机理进行分析。研究表明,薄壁钢管局部屈曲所导致的强度退化是柱体抗震性能劣化的主要原因,基于纤维力学特性合理设计FRP的增强方式可有效提升柱体的抗震性能。CFRP宜采用环向约束方式抑制薄壁钢管的局部屈曲;GFRP宜采用纵向抗弯方式提高柱体大变形下的承载能力。FRP增强薄壁钢管混凝土的耗能主要由钢管承担,在本文研究参数范围内,薄壁钢管耗能占比超过80%,混凝土耗能介于10%～20%,纵向FRP耗能小于8%,对薄壁钢管实施有效约束后,其耗能可提高40%以上。