【摘 要】
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钢结构作为主要的建筑结构类型之一,因其自身具有强度高、自重轻、塑性韧性好且施工简便等特点,被越来越多的应用于大型厂房、超高层建筑等领域,而其在服役期间内,不可避免地会遇到一些意外事故的发生,小到车辆碰撞、碎石飞溅,大到飞机撞击、爆炸冲击,这些事故带来的冲击荷载均会给钢结构建筑带来不可逆的损伤。现有对于H型钢冲击响应研究工作多将冲击方向设定为强轴方向冲击,缺乏考虑来自弱轴方向的冲击的研究,而实际经验
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钢结构作为主要的建筑结构类型之一,因其自身具有强度高、自重轻、塑性韧性好且施工简便等特点,被越来越多的应用于大型厂房、超高层建筑等领域,而其在服役期间内,不可避免地会遇到一些意外事故的发生,小到车辆碰撞、碎石飞溅,大到飞机撞击、爆炸冲击,这些事故带来的冲击荷载均会给钢结构建筑带来不可逆的损伤。现有对于H型钢冲击响应研究工作多将冲击方向设定为强轴方向冲击,缺乏考虑来自弱轴方向的冲击的研究,而实际经验表明,在相同的冲击荷载作用下,弱轴方向的冲击相较于强轴方向会导致更为严重的变形。同时,在相关的损伤评估或剩余承载力评估工作中,常用方法是通过拟合方式给出某取值区间内的经验公式,但这种方法获取的结果具有较大局限性,特别当构件长度、尺寸发生改变,或荷载超过区间范围时不再适用,无法满足实际工程损伤评估需要。为弥补这方面工作的不足,本文研究了H型钢柱在弱轴方向冲击荷载作用下的动力响应及损伤特征,主要工作及结论如下:(1)开展H型钢柱弱轴方向冲击试验研究通过自主设计的落锤试验装置,对总计26根H型钢柱进行了弱轴方向下的冲击加载试验。试验结果表明,冲击位置、轴压比、钢材强度主要通过改变构件的抗弯能力影响冲击力平台值大小;影响塑性位移的发展因素可以归类为抗弯能力和荷载强度两个方面,前者如钢材强度、冲击位置、轴压比,后者如冲击能量;反射波与主弯曲波的叠加会增强局部位置的整体变形;另外,弱轴方向的冲击相较强轴方向的冲击表现出了不同的破坏模式以及能量耗散能力。(2)开展H型钢柱弱轴方向冲击下的有限元分析基于大型有限元软件ABAQUS建立数值模型,对冲击响应过程进行进一步研究分析。数值模拟结果表明,撞击结束后的残余应力分布主要位于撞击区域及柱端的腹板及翼腹交接处,惯性力对于构件的影响主要集中在整个运动过程的前期。之后,将数值模拟的结果通过灰度分析法处理,得到冲击能量是影响H型钢构件位移响应的最主要因素的结论,并根据构件最终损伤程度的不同,将弱轴方向冲击下的破坏模式分为三类,通过拟合得到三类破坏模式的临界区域方程,可以根据冲击能量的大小判断损伤构件的破坏模式,达到对损伤构件快速评估的目的。(3)开展受损H型钢柱的剩余承载力研究通过大型有限元软件ABAQUS建立数值模型,对受冲击损伤的试件进行轴向压缩模拟,分析冲击能量、塑性位移、冲击方向以及剩余承载能力之间的关系,分析结果表明,很小程度的塑性位移即会导致H型钢构件承载能力的大幅降低。在此基础上将冲击作用下的损伤假定为初始缺陷,从初始缺陷的角度分析试件剩余承载能力系数R与考虑初始缺陷下的整体稳定系数之间的关系,提出了关于剩余承载能力系数R的计算方法,并对公式的精确性进行了验证。
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