钢管混凝土K型相贯节点试验研究与数值模拟

从钢管混凝土格构式风电塔架原型中取出节点模型,对5个K型焊接相贯节点进行了试验研究和理论分析,研究了不同几何参数条件下节点的破坏过程和特征、荷载-变形关系和承载能力等.建立了有限元模型,分析了各研究参数对节点破坏形态和极限承载力的影响规律,得到了节点失效机制的判别参数与准则.试验结果表明:圆钢管混凝土K型相贯节点在丧失承载力前弦杆的宏观变形特征不明显,腹杆失效是主要破坏形态;与空心圆钢管相贯节点相比,刚度大大增加,相贯线周围应力集中程度也降低.有限元分析结果表明:圆钢管混凝土K型相贯节点的控制破坏形态包括腹杆失效和弦杆冲剪破坏,控制破坏类型的关键指标是腹杆与弦杆的壁厚比τ和夹角θ.为避免钢管混凝土格构式风电塔架出现节点失效,须限制参数τ、θ的取值.本文建议τ≤1,θ≤45°.     

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。     

柱形装药爆炸破坏混凝土的数值模拟分析

利用LS-DYNA有限元程序建立计算模型,对有无预制孔的半无限混凝土介质中柱形装药的爆炸破坏过程进行了数值模拟研究,得出了不同埋深时的爆腔半径和爆破漏斗半径以及毁伤混凝土的最佳埋深范围,结果与理论计算吻合较好.同时,计算分析了在一定埋深处正向起爆与反向起爆的破坏状态,并对计算结果进行理论分析,结果表明反向起爆更有利于混凝土的破坏.     

液体炸药滑移内爆加载下钢管的变形与层裂破坏研究

用液体炸药滑移内爆加载方式,研究了不同炸药厚度和外壳条件下20钢圆管的内聚变形和破坏特征。实验中,钢管发生了较大径向应变,应变值大致随炸药厚度的增加而线性增大。在炸药厚度不低于3mm时钢管变形均匀,轴对称较好;药厚小于3mm时其变形不再是基本轴对称收缩,管子表面出现扭转褶皱。各种装药厚度下,均未观察到预期的层裂破坏。对未层裂的原因进行了初步分析。     

钢管混凝土圆弧桁架拱平面内徐变稳定分析

核心混凝土的徐变会增加钢管混凝土拱肋的屈曲前变形,降低结构的稳定承载力,因此只有计入屈曲前变形的影响,才能准确得到钢管混凝土拱的徐变稳定承载力。基于圆弧形浅拱的非线性屈曲理论,采用虚功原理,建立了考虑徐变和剪切变形双重效应的管混凝土圆弧桁架拱的平面内非线性平衡方程,求得两铰和无铰桁架拱发生反对称分岔屈曲和对称跳跃屈曲的徐变稳定临界荷载。探讨了钢管混凝土桁架拱核心混凝土徐变随修正长细比、圆心角和加载龄期对该类结构弹性稳定承载力的影响,为钢管混凝土桁架拱长期设计提供理论依据。     

弹体对混凝土材料先侵彻后爆炸损伤破坏效应的数值模拟研究

基于Kong-Fang混凝土材料模型和LS-DYNA的流固耦合和重启动算法,开展了某新型钻地武器先侵彻后爆炸对混凝土靶体的毁伤破坏效应研究。通过模拟大口径缩比弹侵彻实验和预制孔爆炸实验,验证了材料模型及其参数的可靠性。在此基础上,进一步对预制孔装药爆炸建模、不考虑弹壳的重启动建模和考虑弹壳的重启动建模3种方法进行了比较。数值计算结果表明,由于爆轰产物的外泄,不考虑侵彻预损伤的预制孔装药爆炸方法得到的爆坑直径仅为3倍弹径,且损伤破坏模式与其他2种方法得到的损伤破坏模式区别较大。重启动建模方法继承了弹体侵彻过程中累积的损伤,爆坑直径在原有侵彻损伤破坏的基础上明显增大;且由于弹壳变形破碎消耗部分能量,考虑弹壳时模拟得到的爆坑直径（约14.5倍弹径）略小于不考虑弹壳时模拟得到的爆坑直径（约16倍弹径）;但由于破碎弹头的二次侵彻作用,考虑弹壳时模拟得到的爆坑深度比不考虑弹壳时模拟得到的爆坑深度增加约5%。上述研究结果可为进一步开展钻地武器先侵彻后爆炸毁伤破坏效应的实验研究提供参考。     

防护门在空气冲击波和破片作用下的破坏

随着精确制导武器被大量用于实战,地下工程坑道内部遭受爆炸的可能性越来越大。利用原型坑道内爆炸试验,考察了破片和空气冲击波的复合作用对防护门的宏观破坏效应。对破片的初始速度、质量分布和空间分布进行了定量计算,分析了破片和冲击波对防护门的单一破坏作用,定性讨论了冲击波和破片对防护门的复合破坏作用。     

绝热剪切损伤和破坏的数值模拟研究

绝热剪切破坏是冲击载荷作用下金属材料中经常出现的一种重要破坏模式,尽管已经在实验中观察到了绝热剪切带内部的损伤现象,但是在理论和计算模型中往往还只是考虑它的热软化效应,对与之伴随的损伤破坏效应却鲜有讨论.该文在前人实验的基础上,提出了一个适用于绝热剪切带内部微孔洞损伤发展的演化方程,并在本构方程中同时考虑了温度和损伤对材料的影响,成功地模拟出了绝热剪切带的热软化效应和损伤破坏效应.     

侧向冲击载荷下钢管混凝土结构的动力响应及参数分析

采用刚塑性结构模态分析法和数值模拟方法,对侧向冲击载荷作用下的圆截面钢管混凝土结构进行了塑性动力分析。将钢管混凝土等效为刚塑性地基梁模型,给出了钢管混凝土构件跨中侧向变形的模态解析解,得到了冲击载荷作用下影响结构最终侧向变形的无量纲参数。利用ABAQUS/Explicit软件建立了钢管混凝土结构在侧向冲击作用下的动态响应数值模型并进行了计算分析,将理论预测值和数值模拟结果与试验结果进行了交叉对比。结合量纲分析和数值模型对影响构件最终变形的几何、物理参数及初始冲量进行了分析。结果表明：理论预测值和数值模拟结果与试验结果吻合较好,结构的塑性变形与理论假定的塑性铰分布一致。构件几何参数中,长径比和径厚比对其侧向最终变形有较大影响;冲击头相对宽度可改变构件的变形模态;相比于几何参数,钢管和混凝土芯层的物理参数对构件跨中挠度的影响较小;结构的侧向变形与初始冲量成二次幂相关。最后给出了理论分析参数的适用范围。刚塑性响应模态解可较好地预测钢管混凝土结构在侧向冲击载荷作用下的塑性变形行为。     

钢管约束再生混凝土柱的变形性能及承载力计算

为研究钢管约束再生混凝土柱的变形性能和承载力,以再生粗骨料取代率、钢管截面形式、套箍系数为主要参数,制作了33个柱试件进行轴压试验。试验结果表明：圆形截面柱呈腰鼓状斜剪压破坏,方形截面柱呈斜压破坏;钢管截面形式、套箍系数比再生粗骨料取代率对柱构件极限承载力和变形能力的影响更明显;圆形截面柱的承载力稳定性、变形能力、耗能能力要优于方形截面柱。利用现有规范计算方法进行承载力计算发现,DL/T5085-1999标准适用于圆形截面柱的轴压承载力计算,DBJ 13-51-2003、CECS 159：2004、GJB 4142-2000标准适用于方形截面柱的轴压承载力计算。     

钢管混凝土纯压拱失稳临界荷载计算的等效柱法

在双重非线性有限元分析的基础上,进行了钢管混凝土纯压拱失稳临界荷载的简化计算方法——等效柱法的研究,提出了等效柱法中考虑矢跨比影响的稳定系数K₁ 以及考虑初始几何缺陷影响的折减系数K₂及其与现有规范相对应的计算公式。与有限元计算结果的对比表明,采用考虑矢跨比因素的稳定系数的等效柱法能较精确地估算钢管混凝土纯压拱的非线性失稳临界荷载,且计算精度受含钢率和钢材种类变化的影响较小。     

高温后钢管活性粉末混凝土的动态力学性能

采用霍普金森压杆装置对高温后钢管活性粉末混凝土(reactive powder concrete-filled steel tube,RPC-FST)进行冲击压缩实验,分析了应变率效应及温度效应对试件动态力学性能的影响。结果表明：高温(200、300 ℃)后RPC-FST仍具有较好的抗冲击能力、延性和完整性;冲击荷载作用下,RPC-FST的应变率效应明显弱于RPC的应变率效应;随着过火温度的提高,RPC-FST的峰值应力逐渐增大,变形能力增强,抗冲击能力提高。动力提高系数随过火温度的提高而增大,说明高温后RPC-FST的应变率效应更显著。     

高温后方钢管再生混凝土柱抗震性能试验研究

本文进行了6个高温后方钢管再生混凝土柱试件和1个常温对比试件的拟静力试验,研究再生粗骨料取代率、受热温度和套箍指数对试件表观变化、破坏形态和抗震性能的影响。结果表明:高温后钢管表面氧化而呈现暗红色;在常温和高温作用下的试件破坏形态相似,均为钢管底部发生鼓曲破坏;除套箍指标较小的试件外,所有试件的滞回曲线比较饱满,变形满足抗震延性需求;上述这些受再生粗骨料取代率的影响不大,而受热温度影响显著,其中受热温度300℃时的损伤严重、性能劣化最为突出。     

圆中空夹层钢管混凝土压扭构件试验研究

以轴压比和长细比为主要参数设计了7根圆中空夹层钢管混凝土试件,为了便于对比分析,同时设计了2根圆实心钢管混凝土试件,对其在压扭复合受力状态下的力学性能进行了试验研究。对试验现象和试验结果进行了描述与分析,结果表明:圆中空夹层钢管混凝土压扭构件的扭矩-转角全过程曲线未出现下降段,试件表现出一定的后期承载潜力,具有较好的塑性和延性性能;钢管对混凝土的约束效应在加载后期更为显著;轴压比、长细比和空心率对压扭试件的初始刚度影响不大,但轴压比和长细比对试件的抗扭承载力有一定影响。最后,采用压扭构件承载力相关方程对圆中空夹层钢管混凝土压扭构件的抗扭承载力进行了计算,计算结果与试验结果基本接近且总体偏于安全,可为工程设计提供参考。     

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。

     

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。     

一种钢管混凝土格构柱极限承载力的快速计算方法

采用半波正弦曲线模拟杆件的变形曲线,在考虑紧箍效应钢管混凝土应力-应变关系和剪切变形影响的基础上,建立了杆件中截面的平衡方程,提出了钢管混凝土格构柱弹塑性极限承载力数值方法,并编制了相应的计算程序。该方法不仅适用于两端偏心相等的偏压构件及两端偏心不等的偏压构件的弹塑性极限承载力的计算,而且,其收敛速度很快,比分段合成数值法更能适用于工程计算。利用提出的计算方法和编制的程序对国内已有两端偏心相同的四肢钢管混凝土格构偏压长柱的试验结果进行了计算,并与现有规程及分段合成法进行了比较,结果表明:规程计算方法结果偏于保守,计算误差大,本文方法的计算结果与试验结果吻合良好。     

矩形中空夹层再生混凝土钢管短柱轴压试验研究

以截面形式、截面长宽比和混凝土类型为参数共设计了8根矩形中空夹层钢管混凝土试件,对其进行轴压实验并对其破坏形态、荷载-纵向应变关系曲线及外钢管横向应变发展规律进行分析。其中截面形式包括矩形套矩形和矩形套圆形两种,截面长宽比分别为1.25和1.5,混凝土类型包括普通混凝土和再生混凝土(再生粗骨料取代率为50%)两类。结果表明:对于截面形式相同的试件,长宽比较大者极限承载力更小,且其长边横向应变发展更快;对于长宽比相同的试件,矩形套矩形截面的试件长边横向应变发展比矩形套圆形截面的更快;混凝土类型对试件的极限承载力和破坏形态影响不大。最后运用有限元软件ABAQUS对8根短柱的轴压全过程进行模拟,并将有限元计算得到荷载-纵向应变曲线与实验实测曲线进行对比,两者吻合较好且互相验证。     

长期荷载作用下CFST界面粘结损伤试验研究

为考察在役钢管混凝土界面粘结性能与荷载作用时间的关系,以荷载作用时间段为基本参数,完成了7根圆钢管混凝土试件的推出试验.试验结果表明,钢管混凝土界面粘结力随荷载作用时间的延长而减小.根据试验结果,得出各个试件的荷载—滑移曲线.基于ANSI/ACI308-1992混凝土养护规程,得出每个试件在荷载作用下的混凝土徐变应变.从损伤力学的角度出发,定义界面损伤变量,推导了混凝土徐变应变与损伤的关系.通过回归得出含损伤变量的界面粘结—滑移本构关系.     

圆中空夹层钢管混凝土柱扭转实验研究

以名义含钢率、外钢管强度和空心率为主要变化参数,设计了6根圆中空夹层钢管混凝土和1根双层空钢管试件,对其进行了扭转试验研究。试验结果表明:在加载过程中,钢管和混凝土变形协调,共同工作;试件表现出很好的塑性性能;试件名义含钢率和外钢管强度越大,试件抗扭承载力也越大;空心率越大,试件抗扭承载力也越大;圆中空夹层钢管混凝土比双层空钢管抗扭承载力有明显的提高。同时用有限元方法对试件扭矩-转角全过程曲线进行计算,计算结果与试验结果吻合良好。