冲击荷载作用下钢筋混凝土深受弯构件的动力性能及损伤评估研究

来源 :兰州理工大学 | 被引量 : 2次 | 上传用户:haoyigyaoatcs31
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近年来,频发的意外交通事故以及山区落石等自然灾害,使得服役期工程结构不可避免遭受极端冲击荷载的作用。极端冲击荷载极有可能使结构发生损伤甚至倒塌。深受弯构件因其刚度大、承载能力强等特点,被广泛应用于桥梁、高层以及超高层建筑,是工程结构中重要的承力构件。然而,目前关于深受弯构件的研究依旧集中于静荷载领域,对深受弯构件遭受动力荷载尤其是冲击荷载时的动力响应和损伤评估都鲜有研究。因此,本文基于有限元软件ANSYS/LS-DYNA,采用数值模拟方法对冲击荷载作用下钢筋混凝土深受弯构件的动力响应、不同参数对深受弯构件抗冲击性能的影响进行研究。同时,也对遭受冲击荷载后深受弯构件的损伤形成过程及损伤评估方法进行了研究。具体研究内容及主要结果如下:(1)对采用ANSYS/LS-DYNA建立冲击荷载作用下钢筋混凝土深受弯构件有限元模型过程中的关键内容进行了详述,主要包括钢筋、混凝土材料模型合理选取,单元类型、接触类型确定以及单元网格尺寸划分和数据结果处理方法等。建立了钢筋混凝土深受弯构件以及钢筋混凝土浅梁遭受冲击荷载的有限元模型,通过与文献中同一工况的试验结果对比,验证了本文数值模型建立方法的合理性与精确性。(2)基于已验证的深受弯构件模型,对深受弯构件在冲击荷载作用下的位移、冲击力、耗能机理、纵筋应力应变、损伤模态以及剪切特性等动力响应进行分析。结果表明:冲击荷载作用下,深受弯构件呈现典型的剪切破坏特征,跨中位移呈半正弦波状。冲击力峰值阶段,惯性力较大,构件发生局部变形,下降段冲击力与支座反力接近,支座反力的发生滞后于冲击力。冲击过程中,初始冲击动能主要转化为构件内能,底部纵筋与混凝土是主要耗能材料。纵筋的屈服强度、极限强度随着应变率的增大而增大。冲击力峰值、支座反力峰值均不能真实反应深受弯构件的抗剪承载力。(3)采用控制变量法分析了混凝土强度、纵筋配筋率、边界条件、剪跨比等设计参数以及冲击位置、冲击物质量、冲击物形状以及冲击物刚度等冲击参数对钢筋混凝土深受弯构件抗冲击性能的影响。同时,采用正交试验分析冲击物质量、冲击速度及混凝土强度对冲击力峰值、位移峰值的敏感性。结果表明:混凝土强度等级、冲击物形状以及冲击物刚度的变化对冲击力影响明显。剪跨比、纵筋配筋率及冲击物质量的变化主要影响深受弯构件竖向变形。剪跨比越小,深受弯构件损伤越小,混凝土耗能能力越强。增加深受弯构件端部轴向约束和转动约束能够改变深受弯构件耗能机制,并提高抗冲击承载力。冲击位置变化会影响深受弯构件损伤分布与破坏发生的位置。参数敏感性分析表明,混凝土强度对冲击力峰值影响最为显著,而冲击物质量对位移峰值影响最为显著。(4)分析了冲击荷载下深受弯构件损伤形成过程。基于最大位移损伤准则,以冲击物质量和冲击速度为控制变量,采用数值试算方法建立了冲击荷载作用下的钢筋混凝土深受弯构件损伤评估m-v曲线,并拟合出了曲线的数学表达式。
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