火灾与冲击耦合作用下钢管混凝土柱力学性能研究

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钢管混凝土是指在钢管中填充混凝土而形成的一种组合构件,具有承载力高、塑性韧性好、施工方便和抗火性能好等优点,广泛应用于高层、超高层建筑、地铁站等重要结构中。钢管混凝土一般作为重要结构的竖向受力构件,一旦失效容易引发结构的破坏甚至倒塌。近年来随着火灾事故和恐怖袭击频发,结构构件在多灾害(火灾、撞击、爆炸等)耦合作用下的力学性能逐渐引起社会的关注。为此,本文基于ABAQUS建立了钢管混凝土柱在火灾、撞击及爆炸单一工况以及火灾与撞击以及爆炸耦合作用下的有限元模型,重点对多灾害耦合作用下钢管混凝土的力学性能进行分析,具体研究内容如下:
  (1)分别建立了钢管混凝土柱在火灾、侧向撞击和爆炸工况下的有限元分析模型。考虑到需通过温度-位移耦合单元实现温度与动力荷载耦合计算,采用完全热-力耦合方法建立了钢管混凝土柱在ISO834标准火灾作用下的耐火极限模型。撞击与爆炸有限元模型中考虑了应变率对材料力学性能的影响,并进行了轴力与冲击荷载耦合计算。基于相关试验结果,验证了钢管混凝土在单一灾害作用下有限元模型的可靠性。
  (2)采用温度-位移耦合分析步建立了高温下钢管混凝土柱侧向撞击有限元模型,通过相关试验结果对高温与撞击荷载耦合工况下模型进行了验证。在验证模型可靠的基础上,通过典型算例对高温与撞击耦合作用下钢管混凝土力学性能进行了全过程分析,包括截面温度场、高温下力学性能、破坏模式、荷载变形、应力应变发展、钢管与混凝土相互作用以及部件间能量分配。在此基础上,对影响高温下钢管混凝土柱抗撞性能的主要因素进行了参数分析,主要包括受火时间、混凝土与钢材强度、钢管厚度、撞击速度以及撞击体质量。
  (3)建立了高温下钢管混凝土柱爆炸有限元模型,通过典型算例对高温与爆炸耦合作用下钢管混凝土力学性能进行了全过程分析,包括变形特征、破坏模式、应力应变发展、钢管与混凝土相互作用以及部件间能量分配。之后对影响高温下钢管混凝土柱抗爆性能的主要因素进行了参数分析,包括受火时间、混凝土强度、钢材强度、钢管厚度以及比例距离。
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