低速横向冲击荷载下圆钢管混凝土构件的力学性能研究

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钢管混凝土结构因其在静力和动力荷载下的良好力学性能而在高层建筑和桥梁桥墩等结构中得到了广泛的应用;冲击荷载是以上结构在正常工作中不可避免的一种意外荷载作用。冲击作用有可能导致结构损伤甚至丧失承载能力,因此需要在结构设计中考虑。本文对钢管混凝土梁、柱构件在冲击荷载下的力学性能进行了研究,主要研究内容如下:(1)在重力式落锤冲击试验机上进行了圆钢管混凝土梁的横向冲击试验研究。试件主要参数包括冲击高度、落锤质量和边界条件,并进行了空钢管试件的对比试验。试验中得到了试件的破坏模态、冲击力时程曲线、跨中挠度时程曲线和钢管表面应变等。试验结果表明,钢管混凝土试件在冲击荷载下具有良好的塑性变形特征,抗冲击能力较好。(2)建立了圆钢管混凝土梁、柱在横向冲击荷载下的精细化有限元模型,其中考虑了钢材和混凝土的应变率效应,钢管和混凝土之间的接触关系等。通过采用隐式分析和显式分析结合的方法考虑了轴力的影响。并对冲击过程中钢管的断裂问题的模拟进行了探索。之后采用本文的试验数据和他人的典型试验数据对有限元模型的精度进行了验证,验证结果表明,所建立的有限元模型可以有效地模拟钢管混凝土梁、柱构件在横向冲击荷载下的力学性能。(3)采用建立的有限元模型对圆钢管混凝土梁、柱构件在冲击荷载下的工作机理进行了分析。分析内容主要包括梁的破坏模态、受力状态、应力应变状态、截面抗弯承载力和耗能能力等,以及轴力水平对钢管混凝土柱冲击力和跨中挠度、截面抗弯承载力、临界破坏能量和剩余承载力等的影响。分析结果表明,钢管混凝土结构具有良好的抗冲击能力。(4)对影响圆钢管混凝土梁在冲击荷载下力学性能的主要参数进行了参数分析。包括材料强度、截面含钢率、长细比、冲击速度、冲击物质量和冲击位置等。参数分析结果表明,钢材屈服强度、截面含钢率、截面直径和冲击速度是影响构件截面动力抗弯强度的主要参数。(5)在参数分析的基础上,通过回归分析提出了构件截面动力抗弯强度实用计算公式,与数值计算结果的对比表明,实用计算公式精度良好。
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