侧向冲击钢管混凝土构件的试验研究和仿真数值分析

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侧向冲击是工程中常见的动力行为,它不仅会影响到建筑物的外表而且也会损伤内部的结构,然而钢管混凝土在耐撞性方面却有很大的优势,所以研究侧向冲击钢管混凝土在动载情况下的力学性能很有必要,同时从理论上总结相应规律对实际工程中也有一定的指导意义。钢管混凝土构件即外围为钢管,核心浇筑混凝土,在二者充分粘合作用下产生了良好的塑性和韧性。本文以圆形截面钢管混凝土试件为研究对象,采用悬臂、简支和固简支的约束类型,通过落锤冲击实验,对钢管混凝土试件的自由端和跨中部位进行不同能量的冲击,初步研究和探寻了钢管混凝土的力学性能,并记录了原始冲击力的时间历程、加速度的时间历程、应力应变时间历程曲线和实测的挠度值等实验结果,为研究分析提供有力的数据。在总结实验研究的基础上,利用大型通用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA进一步对试件进行了补充分析,参照实验中的材料参数,建立了钢管混凝土侧向冲击的数值模型。运行该模型得到的模拟值(重点考虑冲击力和挠度曲线)与冲击试验得到的试验值基本吻合,说明此模型是可行的,然后在这个模型的基础上进行多方位的拓延。结合塑性铰移行理论、结构静塑性破坏理论和塑性动力学冲击理论中对梁动态响应的刚塑性分析方法,先对悬臂和简支构件在冲击过程中形成的塑性铰进行分析,并计算出构件形成塑性铰时所能承担动塑性极限弯矩;之后再以此值来验证固简支构件在不同冲击部位下形成塑性铰时的能量守恒,从能量的角度得出三种约束间的关系;并研究了动、静塑性极限弯矩值之间的相互联系,最后又分析了影响动塑性极限弯矩的因素和原因。为总结钢管混凝土力学性能的规律,本文从平台力、挠度、应力、应变等几个重要概念入手,改变不同的冲击部位、不同的含钢率、不同的冲击能量、不同的混凝土强度、不同的接触面积和不同的长细比等对钢管混凝土进行了一系列的侧向冲击仿真模拟,得出相应的仿真数据,进行归纳和纵横比较,从而得到相应地规律,为相关结构的设计提供参考依据。
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