碰撞冲击荷载下钢筋混凝土结构的动态响应及损伤机理

摘要

近年来，世界范围内的交通碰撞事故及碰撞恐怖袭击事件频繁发生，并造成了一定的经济损失及人员伤亡。碰撞事故多涉及钢筋混凝土结构，为揭示碰撞冲击荷载下钢筋混凝土结构的动态响应行为及损伤破坏机理，本文以计算动力学为理论基础，系统研究了钢筋混凝土构件在碰撞冲击荷载作用下的动态响应、破坏模式、损伤评估、防护加固，以及钢筋混凝土桥梁结构与船舶碰撞过程中各力学参量的变化规律。主要研究工作及其成果如下：
　　 (1)从几何非线性、接触非线性、材料非线性出发，详细介绍了碰撞冲击问题的数值实现过程。并以弹性杆撞击为例，验证了LS-DYNA程序分析碰撞冲击问题的可靠性及精度。
　　 (2)研究了碰撞冲击荷载作用下钢筋混凝土柱的动态响应及破坏模式。运用LS-DYNA建立了钢筋混凝土柱的三维分离式模型，钢筋与混凝土的连接按粘结滑移进行处理。以刚性球与钢筋混凝土柱的碰撞冲击模拟为例，研究了刚性球质量、初速度、混凝土轴心抗压强度、纵筋配筋率和箍筋配筋率等参数对钢筋混凝土柱动态响应的影响，并分析了冲击荷载下钢筋混凝土柱的破坏模式。研究表明：刚性球质量、初速度的增加都会不同程度地加剧钢筋混凝土柱的动力响应及损伤；在考虑混凝土应变率效应的情况下，提高混凝土轴心抗压强度并不能有效降低钢筋混凝土柱中点的水平位移；增加纵筋和箍筋配筋率均能有效提高钢筋混凝土柱的抗撞能力；冲击荷载下钢筋混凝土柱的破坏模式主要包括局部型破坏和整体型破坏。
　　 (3)研究了碰撞冲击荷载作用下钢筋混凝土柱的损伤评估。在上述粘结滑移模型基础之上，提出了一种基于竖向剩余承载力的损伤评估准则，用来判定碰撞冲击荷载下钢筋混凝土柱损伤破坏程度，并定性分析了刚性球质量、初速度与结构柱损伤度的关系。结果表明：刚性球质量及速度在较小范围内时，损伤度的增长速度高于质量及速度的增速，且以质量和速度同时增加时损伤度增长最快；当刚性球质量及速度达到一定数值后，损伤度的增速一般会低于刚性球质量及速度的增长速率。
　　 (4)研究了碰撞冲击荷载作用下钢筋混凝土柱的加固防护。针对复合截面加固的情形，对碰撞冲击荷载作用下钢筋混凝土柱加固前后的动态响应及损伤进行了分析，并对比了外粘钢板及外敷泡沫铝两种加固措施的抗撞效果。结果表明：外粘钢板、外敷泡沫铝两种复合截面加固法均能有效降低碰撞冲击下钢筋混凝土的力学响应及损伤程度；10mm厚的钢板与40mm厚的泡沫铝对钢筋混凝土柱位移响应的减幅基本相当，在降低损伤方面10mm厚钢板的效果优于40mm厚的泡沫铝。
　　 (5)研究了桥梁下部结构船撞过程中各力学参量的变化规律。运用LS-DYNA对一艘初速度为2.5m/s的2600吨的油轮与某铁路钢筋混凝土连续梁桥下部结构的碰撞过程进行了仿真。其中，桩土之间的动力相互作用通过接触算法以及节点耦合算法来进行模拟。给出了两种不同算法下的船撞力、撞深、船速的时间历程及其相互关系。分析了碰撞过程中各部分的能量转化，以及桥梁下部结构的变形响应和应力分布。结果表明：两种算法得出的船桥碰撞规律基本一致。
　　 (6)以各项同性强化双线性弹塑性材料为例，详细介绍了LS-DYNA材料子程序的编制及编译流程。