BFRC低速冲击本构模型及其对桥梁船撞响应影响的研究

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船舶、汽车和漂浮物等撞击是造成桥梁破坏的主要原因之一。学者主要研究桥梁在船舶撞击下的碰撞力、动力响应、破坏模式和连续倒塌等,为桥梁的抗撞设计提供了理论指导和基础。但鲜有关于采用新型材料增强桥梁关键构件抗撞性能的报道。玄武岩纤维混凝土具有较好的抗裂、抗拉、耐腐蚀能力,学者主要研究其在静载作用和高速冲击下的力学性能,但土木工程结构如桥梁可能遭受低速冲击如船撞。基于此,本文研究玄武岩纤维混凝土(BFRC)在船撞等低速冲击下的动态本构模型,探讨玄武岩纤维混凝土增强桥梁下部结构的工作机理和设计方法。(1)玄武岩纤维混凝土 CSCM材料模型参数计算(Continuous Surface Cap Model)。将具体模型分为六个方面(弹性修正、塑性修正、屈服面定义、损伤公式、速率效应和动力硬化)进行理论分析,为模型的每个特征(弹性、塑性、强化、损伤和速率效应)提供了方程。通过材料模型理论,利用玄武岩纤维混凝土单轴抗压强度来确定CSCM材料模型参数。初步确定在不同强度和纤维体积掺量下各不相同的19个参数。(2)玄武岩纤维混凝土材料模型参数验证。建立单实体单元模型,对给定掺量玄武岩纤维混凝土的拉伸和压缩性能进行模拟分析,数值结果与理论值进行对比,平均误差在10%以内,验证所得材料模型参数的准确性;设计并建立玄武岩纤维混凝土梁落锤撞击的有限元模型,采用CSCM默认材料本构与动态本构模型对素混凝土梁落锤冲击进行模拟,两者结果对比,梁体跨中位移峰值相对误差为2.45%,对动态本构模型在低速冲击模拟中的适用性得以验证。(3)玄武岩纤维混凝土桥墩-船桥碰撞数值计算。以一座三跨连续梁桥为例,建立其与驳船有限元模型,通过增量动力分析,以桥墩强度为C37.5和C45两种情况,对比玄武岩纤维混凝土增强被撞桥墩前、后的桥梁体系极限抗冲击能力。结果表明,加入玄武岩纤维的桥墩抗船撞性能明显提升,桥梁体系抗冲击能力得到加强。例如原强度C37.5的桥墩在掺入0.4%的玄武岩纤维后,桥梁体系抵御驳船冲击能力提升20.37%;原强度C45的桥墩桥梁体系抵御驳船冲击能力提升21.31%;原强度C37.5的桥墩在利用C45强度掺量0.4%的玄武岩纤维混凝土 10cm外板增大截面加固桥墩后,桥梁体系抵御驳船冲击能力提升9.26%;利用20cm外板增大截面加固桥墩后,抗冲击能力提升18.52%。本研究为准确模拟玄武岩纤维混凝土在低速冲击下的力学行为提供方法基础,为采用玄武岩纤维混凝土增强桥梁下部结构设计提供理论基础。
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