钢管混凝土结构构件在爆炸冲击荷载作用下动力响应的研究

摘要

钢管混凝土是在钢管中填充混凝土而形成、且钢管及其核心混凝土共同承受外荷载作用的一种结构构件，这种复合材料在冲击荷载作用下会产生多种材料的相互作用、弹塑性变形、动态损伤等多种效应耦合，其动力响应是一个复杂的非线性动力过程，研究难度非常大，是防灾减灾工程与防护工程领域的前沿课题。随着钢管混凝土在建筑、交通、核电站、军事等领域的广泛使用，急需对钢管混凝土结构及构件在爆炸冲击荷载作用下的动力响应进行深入的研究与分析。目前，对钢管混凝土抗冲击性能的研究方面还十分薄弱，而在爆炸冲击方面国内外研究几近空白。本文通过理论计算、试验研究、数值分析方法对钢管混凝土简支构件在爆炸荷载作用下的动力响应和破坏机理开展了较为系统的研究，主要研究工作及创新成果包括以下几个方面：
　　1、根据钢管混凝土构件中钢管与混凝土材料的相互作用原理及钢管、混凝土材料的力学性能，通过对钢管混凝土纯弯构件的强度与刚度分析及爆炸冲击波的作用原理分析，结合单自由度理论分析方法，建立了简支状态下钢管混凝土纯弯构件在爆炸荷载作用下的动力响应分析的数值解法。
　　2、首次以钢管混凝土纯弯构件为研究对象，进行简支状态下的爆炸冲击试验。测量了爆炸压力时程曲线、构件中点应变时程曲线、构件的最终挠度；对在不同药量下的爆炸冲击荷载特征曲线及其与构件的应变、构件的变形之间的关系进行分析比较；对不同套箍系数的构件在相同药量作用下的反应情况进行分析比较。结果表明：影响构件变形的主要因素包括爆炸冲击波超压峰值的大小、爆炸荷载正压作用时间、构件的套箍系数、构件的自振周期。在本试验小药量炸药爆炸荷载作用下，正压作用时间约为构件自振周期8％，构件来不及完全响应荷载即已消失，故其响应值远小于静载或慢速加载下的响应值。在相同荷载工况下，套箍系数是决定响应值大小的重要因素。
　　3、应用LS-DYNA有限元分析软件建立了钢管混凝土构件在爆炸荷载作用下的动态响应试验的数值分析模型，研究结构构件的几何参数和材料参数等对其抗爆性能的影响。分析不同的钢管屈服强度、混凝土强度、钢管壁厚等参数所引起的钢管混凝土构件抗爆性能的变化规律，找出了影响钢管混凝土构件抗爆性能的主要因素，为结构抗爆设计中确定合理的设计参数提供了理论依据。
　　4、首次以爆炸冲击作用后的钢管混凝土纯弯构件为试验对象，通过静载试验测量构件的破坏极限承载力和破坏最终挠度，研究本次试验参数范围内各构件的剩余承载力。结果显示，对于爆炸作用时变形在弹性范围内的构件，其剩余承载力基本没有减小；爆炸作用时构件变形在塑性范围内，则其剩余承载力略有降低，降低程度与爆炸作用后的变形情况有关。试验证明，钢管混凝土抗弯构件具有良好的弹塑性和延性，套箍系数是影响钢管混凝土构件抗弯承载力及抗爆能力的重要因素。

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主 要 符 号 表

1 绪 论

1．1 问题的提出

1.2建筑结构抗爆研究的发展历史沿革

1.3 爆炸冲击荷载的特点

1.4建筑结构在爆炸荷载作用下的动力响应的研究与分析方法

1.5 建筑结构在爆炸荷载作用下的动力响应研究的发展

1.7选题的依据和意义

1.8本文的研究内容

2 爆炸冲击波荷载特性及结构构件的动力分析基本理论

2.1 引言

2.2 爆炸现象及其特性[91-94

2.3空气冲击波的毁伤准则

2.4冲击波对建筑物的破坏作用

2.5 金属材料和混凝土材料的动力特性[

3 钢管混凝土抗弯构件在爆炸冲击荷载作用下的动力分析

3.1引言

3.2钢管混凝土的材料本构关系

3.3钢管混凝土纯弯构件的特点及其力学分析

3.4钢管混凝土抗弯构件在爆炸荷载作用下的动力分析方法

3.5 单自由度动力等效体系的理论推导[46,104]

3.6 构件自振周期的计算

3.7 单自由度体系方程的求解

4 钢管混凝土简支构件在爆炸荷载作用下的动力响应试验研究

4.1引言

4.2 试件的设计与制作

4.3 试验方案

4.4 试验数据的测量

4.5试验结果

4.6试验数据分析

5 钢管混凝土简支构件在爆炸荷载作用下动力响应的数值模拟

5.1 引言

5.2 动力有限元算法的理论基础[46]

5.3钢管混凝土简支构件抗爆性能分析的数值模型

6 爆炸冲击后构件剩余承载力的试验研究

6.1引言

6.2试验设备及方案

6.3 试验结果和分析

6.4空钢管的静压试验结果

结 论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及所取得的研究成果

致谢