鋼管混凝土柱橫向沖擊的動力學研究

1、蘭州理工大學土木工程學院王文達博士研究小組 蘭州理工大學土木工程學院王文達博士研究小組 鋼管混凝土構件低速橫向 沖擊性能研究導師：王文達 史艷莉學生：何佳星2016年6月1日蘭州理工大學土木工程學院王文達博士研究小組 蘭州理工大學土木工程學院王文達博士研究小組 主要內容主要內容u研究背景研究背景u試驗試驗整理整理u數(shù)值模擬數(shù)值模擬u遇到遇到問題問題u近期計劃近期計劃蘭州理工大學土木工程學院王文達博士研究小組 蘭州理工大學土木工程學院王文達博士研究小組 一、一、研究背景研究背景蘭州理工大學土木工程學院王文達博士研究小組 蘭州理工大學土木工程學院王文達博士研究小組 鋼管混凝土和其它混凝土結構一樣,

2、在役期間,不可避免地要受到意外撞擊的作用,如失事飛機對高層、超高層建筑的沖擊,船舶因偏離航線對橋梁和海上鉆井平臺的撞擊,爆炸對地面及地下結構的沖擊,汽車對混凝土結構的意外碰撞等。鋼管混凝土常作為建筑的梁、柱承重結構,其遭受撞擊時,一旦損傷和破壞將引起生命和財產的巨大損失。因此,結構受撞擊破壞的研究有著十分重要的工程背景,受到工程界的高度重視。由于鋼管混凝土構件強度高,變形能力強,具有良好的吸能能力,其組合結構已經在土木工程結構中得到了廣泛的應用，如超高層建筑、多層住宅建筑、大跨空間結構、地鐵站、電力塔架和橋墩等。因此,無論從結構意外撞擊的角度,還是從鋼管混凝土的開發(fā)應用角度,都急需對鋼管混凝土

3、構件的耐撞性做出評價。蘭州理工大學土木工程學院王文達博士研究小組 蘭州理工大學土木工程學院王文達博士研究小組 目前對于鋼管混凝土等結構形式在沖擊荷載下的力學性能已經展開了一些相關的研究工作，包括試驗研究和理論研究。理論研究主要包括數(shù)值模擬和簡化模型。很多研究者建立了相關的有限元模型，并采用試驗數(shù)據(jù)對模型的精度進行了驗證。 但對于鋼管混凝土構件的沖擊問題中還有待進一步深入研究。特別是內配型鋼的鋼管混凝土構件，作為一種新型組合構件，已經在工程實踐中得到應用，但現(xiàn)有實驗中對這種類型的構件的抗沖擊試驗還很少。所以系統(tǒng)研究其力學性能及設計方法具有重要的意義。蘭州理工大學土木工程學院王文達博士研究小組 蘭

4、州理工大學土木工程學院王文達博士研究小組 二二、試驗整理試驗整理蘭州理工大學土木工程學院王文達博士研究小組 蘭州理工大學土木工程學院王文達博士研究小組 目前對于鋼管混凝土結構的沖擊問題的試驗研究： 陳肇元等(1986)1最早進行了42根鋼管混凝土短柱的軸向沖擊試驗，試驗發(fā)現(xiàn)鋼管混凝土短柱的抗沖擊性能較好，且具有十分良好的延性。 王蕊(2008)2、劉亞玲(2005)3 、賈電波(2005)4和王兆(2009)5等人采用落錘沖擊試驗機對鋼管混凝土構件在側向沖擊下的力學行為進行了研究。試驗構件均為梁構件，邊界條件包含兩端固支、兩端簡支、固簡支和懸臂四種類型；鋼管混凝土均為直徑為114mm的圓截面試

5、件，鋼管厚度有1.7mm，3.5mm，3.5mm，3.8mm，和4.5mm共5種。試驗中某些兩端固支試件中考慮了預加軸力的影響。試驗中得到了試件的破壞模態(tài)、沖擊力時程曲線和跨中撓度等。結果表明，鋼管混凝土試件在沖擊荷載下具有較高的承載力和良好的塑性變形特征。蘭州理工大學土木工程學院王文達博士研究小組 蘭州理工大學土木工程學院王文達博士研究小組 侯川川(2012)6利用湖南大學重型超高落錘試驗機對圓鋼管混凝土的抗沖擊性能進行了試驗研究,并基于ABAQUS 進行了有限元分析，結果發(fā)現(xiàn)模擬和試驗吻合較好。 朱翔(2015)7采用太原理工大學落錘沖擊試驗機完成了對加軸力和未加軸力兩種情況下的RC柱，外

6、包鋼管加固RC柱,及新型復合柱在側向沖擊下的試驗研究?；诳箾_擊試驗結果，采用三種通用非線性有限元軟件MSC.Marc、ABAQUS 和Ansys/LS-DYNA對撞擊試驗進行了模擬，對比了有限元模擬的計算結果，對不同類型柱子建議了最為合適的分析軟件。蘭州理工大學土木工程學院王文達博士研究小組 蘭州理工大學土木工程學院王文達博士研究小組 國內鋼管混凝土在沖擊荷載下的試驗研究結果匯總于表 2.1 各參數(shù)意義如下：D為圓鋼管混凝土試件截面直徑，B為方鋼管混凝土試件截面變長，ts為外鋼管厚度，L 為試件凈跨度，V0為落錘撞擊時刻速度，E0為沖擊能量大小。序序號號D(B)tsL /mmmmmm V0/

7、m/sE0/k J試件試件個數(shù)個數(shù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)來源來源1-1803.6512004.5-14.52.0-34.544侯川川12-114(1.74.5) 1200 4.3-9.64.2-21.712王蕊23-114(3.54.5) (600-1200 )_5.9-16.716劉亞玲34-114(3.54.5) 1200 4.5-13.4_20賈電波45-114(1.74.5) 1200 _1.6-23.033王兆56-11421200 _9.124朱翔6蘭州理工大學土木工程學院王文達博士研究小組 蘭州理工大學土木工程學院王文達博士研究小組 三三、數(shù)值模擬數(shù)值模擬蘭州理工大學土木工程學院王文達博士研究

8、小組 蘭州理工大學土木工程學院王文達博士研究小組 3.1 試驗工況試驗工況 利用ABAQUS中的鋼材的二次塑流模型，混凝土的塑性損傷模型，并采用論文給出的動本構關系模型（具體看侯川川論文P50-P53），使用試驗的構件的參數(shù)，建立ABAQUS數(shù)值模擬模型，計算固簡支情況下構件的沖擊力時程曲線和跨中撓度曲線，并與鋼管混凝土構件的沖擊試驗結果進行對比。所選取的試件為CS2，試件信息如下： 本算例選自文獻：侯川川低速橫向沖擊荷載下圓鋼管混凝土構件的力學性能研究D北京: 清華大學, 2012試件編號試件編號邊界條件邊界條件L/mmH/mV0/m/sm0/kgE0/k J/mmCS2固簡支2400594

9、6518.8390蘭州理工大學土木工程學院王文達博士研究小組 蘭州理工大學土木工程學院王文達博士研究小組 試驗加載方法：給出落錘的質量和撞擊試件瞬時的沖擊速度等試驗參數(shù)，落錘沖擊在試件的中部，如下圖所示：蘭州理工大學土木工程學院王文達博士研究小組 蘭州理工大學土木工程學院王文達博士研究小組 3.2 建模要點建模要點 3.2.1 鋼材本構關系模型-選用二次塑流模型，考慮到本文中的鋼材的應變率相對較低，因此采用 Cowper-Symonds 模型進行計算。 核心混凝土本構關系模型-采用塑性損傷模型，本文考慮混凝土受壓應變率效應如下：Property：蘭州理工大學土木工程學院王文達博士研究小組 蘭州

10、理工大學土木工程學院王文達博士研究小組 蘭州理工大學土木工程學院王文達博士研究小組 蘭州理工大學土木工程學院王文達博士研究小組 3.2.2Interaction ：l 鋼管與混凝土 通用接觸l 鋼管與落錘界面：通用接觸 所有的接觸面包括鋼管混凝土，鋼管落錘等的法線方向均采用硬接觸：鋼管和混凝土界面，鋼管和落錘接觸面的切線方向均采用庫倫摩擦模型。鋼管與混凝土界面的摩擦系數(shù)取0.6，鋼管與落錘的摩擦系數(shù)設為0。蘭州理工大學土木工程學院王文達博士研究小組 蘭州理工大學土木工程學院王文達博士研究小組 可以看出，鋼管混凝土構件發(fā)生了明顯的彎曲變形，材料塑性變形主要分布在跨中沖擊部位附近。截面上部和底部塑

11、性區(qū)域范圍較廣，且應變數(shù)值較大。從跨中截面變形圖示中可以看出，由于落錘的接觸作用，截面頂部發(fā)生了局部凹陷，但凹陷量很小，變形后截面基本仍保持為圓形。 蘭州理工大學土木工程學院王文達博士研究小組 蘭州理工大學土木工程學院王文達博士研究小組 Visualization： 混凝土應力云圖鋼管應力云圖 由于混凝土的支撐作用，外鋼管塑性變形發(fā)展充分，破壞模態(tài)發(fā)生了改變；外鋼管的約束作用則使得混凝土在沖擊荷載下的脆性破壞特征大大改善3.2.3蘭州理工大學土木工程學院王文達博士研究小組 蘭州理工大學土木工程學院王文達博士研究小組 3.2.4 模型驗證模型驗證 由以上CS2試件的跨中撓度曲線可以看出，該試件的

12、跨中撓度極值誤差為27%，誤差過大，而論文里的數(shù)值模擬曲線與試驗曲線基本吻合，所以在建模方面還有待完善。02040608010012014000.010.020.030.040.050.060.070.08撓度 /mm時間 t/sCS2跨中撓度曲線試驗值模擬值蘭州理工大學土木工程學院王文達博士研究小組 蘭州理工大學土木工程學院王文達博士研究小組 四四、遇到問題遇到問題蘭州理工大學土木工程學院王文達博士研究小組 蘭州理工大學土木工程學院王文達博士研究小組 蘭州理工大學土木工程學院王文達博士研究小組 蘭州理工大學土木工程學院王文達博士研究小組 1.不知道如何提取沖擊力時程曲線蘭州理工大學土木工程學院王文達博士研究小組 蘭州理工大學土木工程學