CFRP约束钢管混凝土圆柱抗爆性能的有限元分析

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近年来,以重要建筑物为攻击目标的爆炸恐怖袭击日渐频繁,另外燃气爆炸和工业生产中的爆炸等意外突发事件也时有发生。爆炸产生的冲击荷载对建筑结构的正常使用及人类生命财产安全的影响巨大,可能导致结构失效甚至连续性倒塌和人员伤亡。利用高性能纤维增强复合材料来提高建筑结构或构件抵抗爆炸冲击荷载的能力具有非常重要的应用背景,是建筑物抗爆防护前沿技术的重要发展方向。CFRP约束钢管混凝土结构是指在钢管混凝土结构的外围粘贴碳纤维增强复合材料(CFRP)而形成的一种新型结构形式。目前已有国内外学者对CFRP约束钢管混凝土柱进行了研究,但主要集中在静力性能和抗震性能方面,而对抗爆性能方面的研究却较少。因此,本文以CFRP约束钢管混凝土圆柱为研究对象,利用有限元软件ANSYS/LS-DYNA数值模拟其在不同影响因素下的抗爆性能,并结合理论分析对其在爆炸荷载作用下的动力响应进行了研究。主要的研究内容和成果为:(1)通过有限元软件ANSYS/LS-DYNA,对炸药、空气、钢管和混凝土采用SOLID164实体单元建模,CFRP采用SHELL163薄壳单元建模,并采用流固耦合法数值模拟已有的钢管混凝土柱的爆炸试验,并将模拟计算出来的结果和试验结果进行对比,以此来验证所选材料模型的准确性和试验方法的可行性。(2)通过改变CFRP约束钢管混凝土圆柱的模型参数,揭示了不同的CFRP粘贴层数、炸药量、钢管壁厚以及长细比分别对其抗爆性能的影响规律。(3)基于钢管混凝土统一理论的研究成果,对CFRP约束钢管混凝土圆柱的组合刚度、塑性极限弯矩进行求解,并采用等效单自由度法求解CFRP约束钢管混凝土圆柱在爆炸荷载作用下的动力响应,将得到的圆柱跨中最大位移与数值模拟结果进行对比分析,结果较为吻合。
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