钢管混凝土短柱抗冲击性能试验研究及有限元分析

摘要

迄今为止，对于钢管混凝土在准静态荷载作用下的力学性能已经开展了相对深入的研究；而对于其在冲击与爆炸等偶然荷载作用下的性能的研究尚少见报道。本文运用湖南大学新落成的高性能落锤实验机对钢管混凝土短柱的抗冲击性能进行了试验研究，作为对试验的有益补充，尝试着应用大型通用有限元软件LS-DYNA对试验进行数值仿真分析。本文的主要研究工作有以下几点： (1)利用落锤实验机对不同冲击能量下两种壁厚的钢管混凝土短柱及素混凝土短柱进行了冲击试验，测得了冲击力时程曲线、试件表面的应变时程曲线以及试件的变形，并用高速摄像仪全程记录了试件的破坏过程。 (2)对冲击荷载作用下及静载时试件的破坏形态和荷载变形关系作了比较分析，探讨了试件变形、最大冲击力及其冲击力作用时间与冲击能量的关系，对素混凝土短柱及钢管混凝土短柱在冲击荷载作用下的性能进行了比较。 (3)基于冲击过程的能量转换关系和试验所得到的最大冲击力与静承载力的关系，以及对荷载与变形关系的合理简化，提出了钢管混凝土短柱在冲击荷载作用下所需静承载力的计算方法，即简化的抗冲击设计方法。 (4)利用通用有限元软件LS-DYNA对试验进行了仿真分析，核心混凝土采用HJC材料模型模拟，模拟结果表明，冲击力、试件轴向变形、钢管表面应变与试验实测值较为一致；在模拟结果的基础上探讨了冲击过程中能量的转化情况以及核心混凝土的破坏机理。

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第1章绪论

1.1钢管混凝土的特点与发展

1.1.1钢管混凝土的特点

1.1.2钢管混凝土的发展

1.2课题研究背景与意义

1.3相关课题研究现状

1.3.1混凝土动态力学性能研究

1.3.2钢材动态力学性能研究

1.3.3材料的应变率效应

1.3.4结构构件在冲击荷载下的力学性能

1.3.5钢管混凝土抗冲击性能研究现状

1.4本文主要研究内容

第2章钢管混凝土短柱落锤冲击试验

2.1动态性能研究试验设备

2.2落锤试验机介绍

2.3试件设计与加工

2.4测量装置

2.4.1冲击力测量

2.4.2变形测量

2.4.3高速视频采集

2.4.4数据采集系统

2.5试验方法与量测

2.5.1静力实验

2.5.2冲击试验

2.6试验结果与分析

2.6.1试件破坏形态

2.6.2试件残余变形

2.6.3应变时程曲线

2.6.4冲击力反应

2.6.5荷载与变形关系

2.6.6简化的抗冲击设计方法

2.7本章小结

第3章钢管混凝土短柱落锤试验仿真的有限元方法

3.1通用有限元程序LS-DYNA介绍

3.2非线性有限元的控制方程

3.3 LS-DYNA程序显式积分算法及其稳定性

3.3.1杆单元与梁单元

3.3.2板单元

3.3.3实体单元

3.4接触碰撞数值算法

3.5计算中的沙漏控制

第4章钢管混凝土短柱落锤试验的有限元分析

4.1材料模型

4.1.1混凝土材料模型

4.1.2钢材材料模型

4.1.3锤体与基础的材料模型

4.2有限元模型的建立

4.2.1单元选取

4.2.2几何建模与网格划分

4.2.3界面接触处理

4.2.4边界条件及初始速度的指定

4.3有限元模拟结果与分析

4.3.1冲击力时程曲线

4.3.2变形时程曲线

4.3.3冲击力变形关系

4.3.4应变时程曲线

4.3.5能量转化关系

4.3.6速度时程曲线

4.3.7试件变形情况

4.3.8破坏机理分析

4.4本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

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