钢筋混凝土圆构件受非跨中冲击动力响应和破坏机理研究

摘要

近年来，随着中国的高铁迅猛发展，列车脱轨已然成为高铁运输的第一安全隐患。列车运行速度高、与站房结构距离近，列车脱轨有极大可能撞击站房结构。钢筋混凝土框架结构是高铁站房常用的结构形式之一，脱轨列车撞击站房钢筋混凝土框架柱具有以下力学特点：冲击体冲击能量大，可使结构柱发生失效性破坏；冲击点邻近柱脚；框架结构柱的约束可视为刚结。以高铁列车脱轨冲击钢筋混凝土框架柱为研究对象，本文针对非跨中冲击作用下钢筋混凝土构件的动力响应进行试验和有限元研究，主要研究内容及成果如下：　　(1)以高铁列车脱轨冲击高铁站房典型圆形截面钢筋混凝土框架柱为原型，以1∶10为缩尺比例，设计了落锤冲击试验，获得试件裂缝发展形态、破坏模式、冲击力时程曲线和位移时程曲线。试验结果表明：试件在冲击点和邻近支座之间形成斜向裂缝，均以剪切破坏模式失效；因冲击速度、纵筋配筋率和配箍率等参数的不同，斜向裂缝呈现两种类型，一类是斜向裂缝仅在试件腹部贯穿，称为Ⅰ型斜裂缝，另一类是斜向裂缝不仅在试件腹部贯穿，还沿纵向钢筋向邻近支座方向延伸，称为Ⅱ型斜裂缝；Ⅱ型斜裂缝对构件破坏更强，可能引起支座节点的破坏。分析了冲击速度、纵筋配筋率、配箍率等因素对冲击动力响应的影响规律。　　(2)用LS-DYNA软件进行有限元分析。从材料模型的选取、单元类型、网格划分和接触定义等方面简述了数值模拟的实现过程。并用试验数据验证了模型的准确性。　　(3)基于有限元计算，采用控制变量法研究了纵筋配筋率、混凝土强度、冲击速度、配箍率、长径比等参数影响下构件的破坏过程和破坏模式，详细分析了冲击响应(包括冲击力、支座反力、位移时程曲线以及冲击力-位移曲线和支座反力-位移曲线)的特征；分析结果表明：纵筋配筋率、冲击速度和长径比对剪切裂缝的类型及开展范围有很大影响；冲击速度和长径比的变化可导致构件的破坏模式发生变化。　　(4)利用有限元对钢筋混凝土构件的力学性能和破坏机理进行了分析。研究了构件破坏形态，构件弯矩、剪力分布与发展规律，钢筋的应变和构件耗能情况。　　(5)通过计算分析和有限元分析，对I型和II型剪切裂缝的开展形态进行讨论。基于分析结果，补充他人已有冲击试验数据，结合本文试验数据，通过回归分析提出判定两种剪切裂缝的方法。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 冲击荷载作用下钢筋混凝土构件研究现状

1.2.1 试验研究

1.2.2 数值分析

1.2.3 理论分析方法

1.3 现有研究中存在的问题

1.4 本文研究内容

第2 章钢筋混凝土构件冲击试验

2.1 试验概况

2.1.1 试件的设计与制作

2.1.2 试验装置、加载与测量方案

2.1.3 材料性能

2.2 试验现象及分析

2.2.1 裂缝发展过程

2.2.2 破坏模式

2.3 试验结果与讨论

2.3.1 冲击力时程曲线

2.3.2 位移时程曲线

2.4 本章小结

第3 章钢筋混凝土构件的有限元模型

3.1 数值模拟软件

3.2 材料模型

3.2.1 混凝土本构模型及破坏模拟

3.2.2 钢筋本构模型及断裂模拟

3.3 有限元模型概述

3.3.1 单元类型、网格划分与边界条件

3.3.2 接触定义

3.4 有限元模型验证

（1）构件破坏形态

（2）冲击力和位移时程曲线

3.5 本章小结

第4 章不同参数对钢筋混凝土构件动力响应的影响

4.1 配筋率的影响

4.2 混凝土强度的影响

4.3 冲击速度的影响

4.4 配箍率的影响

4.5 长径比的影响

4.6 本章小结

第5 章冲击荷载作用下钢筋混凝土构件破坏机理分析

5.1 破坏形态

5.1.1 破坏模式

5.1.2 裂缝发展规律

5.2 截面内力分布

5.2.1 构件长度方向弯矩的变化规律

5.2.2 构件长度方向剪力的变化规律

5.3 应变分析

5.3.1 钢筋受力特点

5.3.2 钢筋应变分析

5.4 耗能机理分析

5.5 本章小结

第6 章构件静力承载力计算分析与剪切裂缝类型判定

6.1 构件静力承载力的计算

6.2 构件截面承载力与剪切裂缝类型的关系

6.3 剪切裂缝发展规律及判定方法

6.4 本章小结

总结与展望

总结

展望

致 谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文

参考文献