钢管混凝土墩柱CFRP抗爆加固研究

摘要

近年来，恐怖爆炸袭击以及意外爆炸事件频繁发生，不仅对社会造成了巨大的经济损失，而且造成了大量的人员伤亡。对桥梁结构进行抗爆设计和研究显得愈发重要，而桥梁受到爆炸冲击作用而发生倒塌的关键原因在于墩柱的破坏，提高墩柱的抗爆能力能够明显提升桥梁结构的整体安全水平。钢管混凝土墩柱因其优良性能在现代工程中广泛应用，对钢管混凝土墩柱的抗爆加固进行研究有十分重要的理论意义和工程应用价值。本文对CFRP加固钢管混凝土墩柱的抗爆性能做了系统研究，主要内容和成果如下:
　　(1)粘贴CFRP加固能够显著增强钢管混凝土墩柱的抗爆性能。
　　采用流固耦合的方法分别建立了CFRP加固前后的圆钢管混凝土墩柱计算模型，墩底墩顶完全固结，爆炸比例距离为0.19m/kg1/3，考虑地面对冲击波的反射作用，计算圆截面钢管混凝土墩柱在爆炸荷载作用下的动力响应，对比分析了CFRP加固前后钢管混凝土墩柱的塑性应变云图、钢管Mises应力、钢管有效应变、钢管Z向应力、钢管Z向应变、构件最大位移以及残余变形等爆炸效应。
　　(2)墩底无论是扩大基础还是桩基础，墩顶固定支座的CFRP钢管混凝土墩柱比墩底滑动支座的CFRP钢管混凝土墩柱具有更好的抗爆性能。
　　建立矩形截面CFRP钢管混凝土墩柱模型，将墩顶支座钢板局部区域简化为刚性体，采用弹簧单元模拟桥梁上部结构对墩柱顶部的约束限制，墩底全固结模拟墩底扩大基础;以土弹簧模拟土体对桩的侧向约束，从而模拟桩基础。爆炸比例距离为0.63m/kg1/3，采用CONWEP方法计算爆炸荷载，分别在墩底扩大基础和桩基础两种墩底约束工况下，对墩顶固定支座与滑动支座两种墩顶约束状态的CFRP钢管混凝土墩柱进行了爆炸动力响应对比分析。
　　(3)与CFRP加固的扩大基础钢管混凝土墩柱相比，CFRP加固的桩基础钢管混凝土墩柱具有“以柔克刚”的抗爆特点，即变形增大、内力减小。
　　桩土相互作用使得墩柱变柔，爆炸荷载作用下桩基础墩柱的最大位移要大于扩大基础墩柱的最大位移，桩基础墩柱钢管和CFRP的应力、应变等响应均小于扩大基础墩柱的相应响应。在桥梁墩柱抗爆设计中需要根据实际工程要求选择合适的墩顶支座类型和墩底基础类型。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 研究背景及意义

1．3 研究现状

1．4 主要研究内容

第2章 桥梁爆炸效应数值模拟方法

2．1 爆炸及爆炸冲击波

2．1．1 爆炸

2．1．2 爆炸冲击波

2．2 爆炸荷载的模拟

2．3 爆炸荷载的施加

2．4 阻尼

2．5 求解中的关键设置

2．6 单元类型

2．7 材料参数及状态方程

2．7．1 钢管材料

2．7．2 混凝土材料

2．7．3 桩和CFRP材料

2．7．4 炸药材料

2．7．5 空气材料

2．7．6 刚性体材料

2．8 本章小结

第3章 CFRP对钢管混凝土墩柱的抗爆加固效果

3．1 概述

3．1．1 钢管混凝土理论

3．1．2 CFRP复合材料

3．1．3 CFRP钢管混凝土工作机理及参数

3．2 有限元计算模型

3．3 空气压力时程曲线

3．4 数值模拟结果及分析

3．4．1 CFRP加固前的钢管混凝土墩柱

3．4．2 CFRP加后前的钢管混凝土墩柱

3．4．3 对比分析

3．5 本章小结

第4章 墩顶约束对钢管混凝土墩柱CFRP抗爆加固的影响

4．1 概述

4．1．1 墩梁约束条件

4．1．2 结构自重及上部荷载

4．2 墩顶不同约束下的方墩柱有限元模型

4．2．1 墩顶双向滑动支座有限元模型

4．2．2 CFRP加固后的钢管混凝土墩柱有限元模型

4．2．3 墩顶固定支座有限元模型

4．2．4 有限元模型动力特性分析

4．3 数值模拟结果及分析

4．3．1 墩顶双向滑动支座模型计算结果

4．3．2 CFRP加固后方钢管混凝土墩柱

4．3．3 墩顶固定支座有限元模型

4．3．4 对比分析

4．4 本章小结

第5章 墩底约束对钢管混凝土墩柱CFRP抗爆加固的影响

5．1 概述

5．1．1 墩底基础类型

5．1．2 弹簧刚度的确定方法

5．2 桩土作用有限元模型

5．2．1 墩底桩基础、墩项滑动支座有限元模型

5．2．2 墩顶固定支座的桩土作用有限元模型

5．2．3 有限元模型动力特性分析

5．3 数值模拟结果及分析

5．3．1 墩顶滑动支座、墩底桩土有限元模型

5．3．2 墩顶固定支座、墩底桩土有限元模型

5．3．3 对比分析

5．4 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间论文发表及科研情况