冲击荷载作用下钢筋混凝土梁的试验及数值模拟研究

摘要

近年来,国际上时有报道的恐怖袭击给社会和人们生命财产安全构成了很大的威胁,地震、海啸,泥石流等自然灾害,及其次生灾害对建筑结构造成严重破坏的事件也屡见报道。钢筋混凝土结构作为普遍采用的工程结构,面对冲击、爆炸等非设计荷载的可能性正日益受到关注,开展钢筋混凝土结构抗冲击性能的研究十分必要。
1.混凝土材料在高应变率荷载作用时,所表现出来的强非线性特性是研究钢筋混凝土结构抗冲击性能的一个障碍。而冲击荷载作用下,混凝土结构及构件的动态数据获取同样是摆在研究者面前的一道难题。本文设计并完成了一组混凝土圆柱体试件的落锤冲击试验,为了改进测试精度,本文设计、制作并标定了一种以聚四氟乙烯(PVDF)压电薄膜作为敏感元件的应力计。在混凝土圆柱体落锤冲击试验中,应用该传感器成功的获取了混凝土动态应力-应变全曲线。
2.利用显示有限元软件 LS-DYNA,对混凝土圆柱体冲击试验进行了仿真分析,利用PVDF传感器获取的应力-应变全过程曲线,对混凝土连续面盖帽模型(CSCM)进行了参数优化,计算结果表明,采用参数优化后的CSCM模型,其计算结果与试验结果吻合良好。
3.完成了一组钢筋混凝土铰支约束梁的静载试验,给出了试验梁承载能力、跨中位移、失效耗能以及破坏形态。采用塑性分析方法对加载过程中试验梁跨中截面的混凝土受压区高度变化及轴力进行了计算和分析。静载试验结果表明：铰支约束梁在加载过程中出现明显的压拱效应。随着跨中位移的发展,压拱作用逐渐过渡到以纵向钢筋受拉为主要传力机制的悬索作用。铰支试验梁在加载过程中,通过弯矩-轴力作用将荷载传递到支座,具有良好的耗能特性。采用参数优化的CSCM模型对加载过程进行的数值仿真分析结果同样也印证了这一点,仿真计算结果与试验结果吻合良好。
4.对相同设计参数的另一组钢筋混凝土铰支约束梁完成了落锤冲击试验,获得锤头冲击力时程、跨中位移时程、梁体支座处钢筋及混凝土应变时程曲线,利用高速摄影机对破坏过程进行了影像记录。这些数据为进一步理解钢筋混凝土在冲击荷载作用下的受力特性、破坏特征,以及为钢筋混凝土结构在冲击荷载作用下的仿真分析提供了数据支持。利用LS-DYNA对冲击加载试验进行了全过程仿真分析,采用参数优化后的混凝土连续面盖帽模型(CSCM)对试验工况进行计算,计算结果表明,优化后的混凝土连续面盖帽模型在低速冲击条件下,具有很好的计算精度。通过改变有限元模型参数的大量计算,得到了不同配筋情况的铰支约束梁临界破坏耗能。通过对计算结果的归纳和分析,给出了铰支约束梁抗冲击的简化计算公式。提出了一种考虑损伤的抗力滞回模型,结合静力试验梁荷载-位移曲线,采用等效单自由度方法对试验梁冲击过程进行了非线性时程分析,计算结果与试验结果吻合良好。

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第1章 绪论

1.1引言

1.2研究背景

1.3混凝土材料动态本构的研究现状

1.4国内外混凝土结构及构件抗冲击研究现状

1.5本课题研究的意义

1.6本文的主要内容

第2章 混凝土圆柱体试件落锤冲击试验研究

2.1引言

2.2混凝土圆柱体试件落锤冲击试验

2.3 PVDF应力传感器设计、标定及其应用

2.4小结

第3章 混凝土圆柱体试件冲击试验显式有限元分析

3.1引言

3.2 LS-DYNA算法和本构模型

3.3单元试验

3.4混凝土圆柱体试件落锤冲击模拟分析

3.5小结

第4章 钢筋混凝土铰支约束梁静载试验与分析

4.1引言

4.2构件设计

4.3静载试验

4.4静载试验的数值模拟

4.5小结

第5章 钢筋混凝土铰支梁冲击试验与分析

5.1引言

5.2落锤冲击加载试验

5.3冲击荷载作用下钢筋混凝土铰支梁有限元分析

5.4非线性荷载-位移分析

5.5铰支约束梁抗冲击简化计算

5.6小结

结论与展望

参考文献

致谢

附录A（攻读学位期间发表的学术论文）