受冲击钢梁的响应与弯扭屈曲行为实验研究

摘要

近年来一系列爆炸事故和恐怖袭击等突发事件的发生，对国际社会的和平与日常人们的生产生活安宁造成了很大的威胁。这些爆炸事故不仅在局部范围内对建筑造成严重的破坏，更有可能因爆炸产生的抛射物或结构上部坠落物对其下部构件的撞击导致某些构件的失稳或过大变形等丧失承载力而破坏失效，引发整体结构的倒塌破坏。因此无论是在防护结构，还是在工业、民用建筑结构中，研究构件在撞击荷载作用下的动力响应尤其是构件发生动力弯扭失稳也值得特别关注。
　　 本文的研究工作和创新点主要在于以下几个方面：
　　 1)钢梁在冲击载荷下侧向弯扭屈曲的实验研究
　　 本文在国内外首次完成了对撞击荷载作用下钢梁动力屈曲响应的实验研究，观察了钢梁构件在不同工况下的屈曲模态，记录了冲击力和残余变形，讨论了边界条件、冲击能量和构件尺寸等因素对钢梁构件在冲击荷载下发生平面外失稳的影响。实验结果发现：钢梁不仅在静力荷载下容易发生失稳，在动力荷载下也容易激发弯扭失稳变形，而且构件的残余变形可能是多个模态的叠加，还伴随着局部失稳；钢梁在落锤冲击荷载作用下发生具体的侧扭失稳形式与每个构件本身和所施加工况有关：构件刚度越大，冲击能量越大，越容易激发高阶失稳模态；在相同工况下，夹支钢梁的动力抗侧扭性要差于固支钢梁的。
　　 2)钢梁在冲击载荷下侧向弯扭屈曲的数值模拟
　　 本文运用通用有限元软件LS-DYNA考虑钢材的应变率效应对实验进行了数值模拟，得到了不同的屈曲模态，冲击力时程曲线，残余变形等特征量，并将数值模拟结果和实验结果对比，验证了ANSYS/LS-DYNA软件分析钢梁动力失稳的有效性和可行性，为今后的进一步研究提供参考。
　　 3)计及应变率效应的两个本构模型对结构动力响应影响的对比分析
　　 由于钢材是率敏感材料，本文通过利用有限元软件ABAQUS对三个算例数值计，探讨了计及应变率效应的Cowper-Symonds(C-S)和Johnson-Cook(J-C)两种本构模型对构件在动力载荷下响应行为的影响。结果表明：C-S模型过高地反映了材料的应变率效应。