钢筋混凝土结构在强动载荷作用下的响应和尺寸效应研究

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钢筋混凝土结构结合了混凝土材料优良的抗压性能和钢筋良好的抗拉性能,被广泛地应用于民用建筑设施(如桥梁、隧道、大坝、核电站等)和军事防护工程(如指挥所、地下掩体等)。一方面,钢筋混凝土结构可能会受到强动载荷的作用(如导弹撞击和爆炸),因此研究钢筋混凝土结构在强动载荷(冲击和爆炸)作用下的响应和破坏对于各种工程中混凝土结构的安全计算和安全评估至关重要。另一方面,混凝土的尺寸效应也是众所周知的,但目前大多工作主要集中于混凝土的静态/准静态和低速冲击行为,爆炸载荷作用下的钢筋混凝土结构的响应鲜有报道,因此研究钢筋混凝土结构在爆炸载荷下的尺寸效应是十分必要的。本文主要研究钢筋混凝土结构在强动载荷(冲击或爆炸)作用下的响应和尺寸效应,主要研究内容包括以下几个方面:1.利用Xu和Wen提出的混凝土动态计算本构模型,对钢筋混凝土梁在不同动态加载条件下(恒定速度加载和落锤冲击加载)的动态响应进行了数值模拟研究。(1)建立了钢筋混凝土梁在不同动态加载条件下的有限元模型;(2)将数值模拟得到的载荷-位移曲线和裂纹破坏形貌与实验中的数据进行了对比,结果发现数值模拟结果与实验观察吻合得很好;(3)进行了一系列的参数研究,重点放在各种参数(冲击速度、剪切配筋率、弯曲配筋率、梁跨比和冲击位置等)对钢筋混凝土梁在低速冲击载荷下响应和破坏的影响;(4)研究了钢筋混凝土梁在动态加载条件下的失效转化模式,提出了一个理论公式来预测钢筋混凝土梁发生从弯曲破坏到剪切破坏的临界条件,并与相关实验进行了比较,结果表明,理论预测与实验观察吻合很好。2.利用Xu和Wen提出的混凝土动态计算本构模型和Xu等提出的3D细观力学模型,对钢筋混凝土梁在落锤冲击作用下的动态响应进行了数值模拟。(1)数值模拟得到的载荷-位移曲线与实验数据吻合得很好;(2)数值模拟得到的不同时刻钢筋混凝土梁侧面裂纹扩展情况与实验观察也吻合得很好。3.进行了钢筋混凝土结构的爆炸实验,研究钢筋混凝土结构在爆炸载荷作用下的尺寸效应。(1)严格地按照1:2:3的尺寸比例设计(钢筋)混凝土试件(钢筋混凝土梁和板,以及混凝土柱),按照1:8:27的质量比例设计药量;(2)每种钢筋混凝土结构进行4个工况的实验,对应4个比例距离(钢筋混凝土梁和板)或炸药当量/爆炸模式(混凝土柱);(3)对实验结束后试件的损伤和破坏情况进行了对比和讨论,还对测量得到的无量纲参数进行了统计分析,根据相关无量纲参数判断钢筋混凝土结构的损伤情况;(4)实验结果表明爆炸载荷作用下,钢筋混凝土结构中存在明显的尺度效应,具体表现在小尺寸结构的试件承载能力强,受到的损伤较小,而中等尺寸和大尺寸结构的试件承载能力弱,损伤较重。4.对钢筋混凝土结构在爆炸载荷作用下尺寸效应的实验进行了数值模拟研究。(1)数值模拟得到钢筋混凝土试件的损伤区域和破坏形貌与实验观察吻合得较好;(2)数值模拟得到的无量纲参数值与实验结果也基本吻合;(3)对照实验结果和数值模拟结果,进一步分析和讨论了钢筋混凝土结构在爆炸载荷作用下存在尺寸效应的原因,是不同尺寸下混凝土的动态拉伸应变率效应不同导致的。
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