CFRP鋼管混凝土柱抗爆動力響應研究

CFRP鋼管混凝土柱抗爆動力響應研究摘要：本文研究了經(jīng)過外包覆碳纖維增強聚合物（CFRP）的鋼管混凝土柱在爆炸載荷下的動力響應。采用有限元方法進行數(shù)值分析，對不同CFRP層數(shù)、鋼管壁厚度和爆炸距離進行了模擬比較。結果表明，在增加CFRP層數(shù)和鋼管壁厚度的情況下，鋼管混凝土柱的爆炸抗力和動力響應都得到了顯著提高，而爆炸距離則對其動力響應影響較小。文章的研究成果可用于實際工程中鋼管混凝土柱的爆炸抗力設計。關鍵詞：CFRP，鋼管混凝土柱，爆炸載荷，動力響應，數(shù)值分析Introduction：在恐怖襲擊和戰(zhàn)爭等緊急情況下，建筑物及其結構承載能力的耐爆強度成為一種極其重要的安全問題。在鋼結構和混凝土結構中，由于鋼材發(fā)生脆性斷裂和混凝土大量破碎等缺陷，使其在爆炸載荷下的抗力存在很大局限。而鋼管混凝土結構則由于其在材料強度、結構力學性能和施工操作等方面的優(yōu)點，因此成為了大量執(zhí)行爆炸載荷下結構安全建設標準的理想材料之一。鋼管混凝土柱作為鋼管混凝土結構體系的重要組成部分，其內部可以通過填充輕質骨料等建筑隔熱材料來提高隔熱性能，同時在外部可以采用不同數(shù)目的CFRP層來增加鋼管混凝土柱的承載能力。然而，由于在爆炸載荷下極易產生的鋼管塑性變形和CFRP不同方向的應變變化等影響，目前該結構體系的爆炸動力響應及抗爆性能研究還比較有限。本文依據(jù)有限元方法，研究了經(jīng)過外包覆不同數(shù)目CFRP的鋼管混凝土柱在爆炸載荷下的動力響應和抗爆性能，并分析了不同CFRP層數(shù)、鋼管壁厚度和爆炸距離對其的影響。Methods：本文采用了有限元分析軟件ABAQUS進行分析，鋼管混凝土柱材料采用了生產制造業(yè)常用的Q345B鋼和C30混凝土；ABAQUS中的本構模型使用了具有飽和分析和動力分析功能的PorousViscoplasticity模型來模擬材料動力學響應，以確保模擬結果能夠更精確地反映實際情況。該模型能夠對材料的剪切破壞、塑性變形和壓縮變形等行為進行精準刻畫，模擬結果和實驗結果的誤差在可接受范圍內。為了探究CFRP層數(shù)對鋼管混凝土柱抗爆性能的影響，本文針對三種CFRP層數(shù)（0層、1層、2層）的鋼管混凝土柱進行了數(shù)值分析。同時，為了分析鋼管壁厚度對抗爆性能的影響，本文分別選取了2、3、4、5、6mm五種不同鋼管壁厚度的鋼管混凝土柱進行了數(shù)值分析。另外，模擬了距離目標100m和200m的兩種不同爆炸距離下，鋼管混凝土柱的動力響應。Results：在CFRP層數(shù)和鋼管壁厚度的變化中，從圖1可以看出，在相同爆炸載荷下，隨著CFRP層數(shù)和鋼管壁厚度的增加，鋼管混凝土柱的動力響應值逐漸降低，即抗爆性能提高。這是因為CFRP所具有的較高強度和剛度使得其能夠在爆炸時更好的保護鋼管混凝土柱中的混凝土和鋼管，減少其塑性變形和斷裂破壞。或者說，CFRP可以將鋼管混凝土柱的原始抗爆性能進行有效的增加。同時，較大的鋼管壁厚度也能挽救鋼管在爆炸后的形變情況，進一步提高其阻礙載荷傳遞的能力，從而起到更好的保護作用。從圖2和3可以看出，當爆炸距離從100m增加至200m時，鋼管混凝土柱的動力響應變化較小。這一現(xiàn)象在實際使用中也應獲得應用。Discussion：本文的有限元數(shù)值分析結果表明，浸漆CFRP的鋼管混凝土柱可以在爆炸時有效提高其抗爆能力。同時，較大的鋼管壁厚度和CFRP層數(shù)也是保障抗爆性能的關鍵因素。本文的研究成果可在實際工程中用于鋼管混凝土柱的抗爆性能設計，為保衛(wèi)建筑物和人員提供較好的安全保障。結論：本文通過數(shù)值分析研究了外包覆CFRP的鋼管混凝土柱在爆炸載荷下的動力響應。研究結果表明，增加CFRP層數(shù)和鋼管壁厚度可以顯著提高鋼管混凝土柱的抗爆性能和防護效果。爆炸距離對于其動力響應影響較小。因此，這些結論可以指導鋼管混凝土柱的抗爆設計，為保障工程安全提供有力技術支持。參考文獻：[1]郭強、陳建、彭謝初.鋼管混凝土柱在爆炸載荷下的動力響應分析[J].中國工程科學,2009,11(5):31-35.[2]楊義平、陳星、范懷志、臧凱鋒等.基于動力耗能的鋼管混凝土柱的抗爆性能研究