钢管混凝土柱横向冲击的动力学研究

1、兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 钢管混凝土构件低速横向 冲击性能研究 导师：王文达 史艳莉 学生：何佳星 2016年6月1日 兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 主要内容主要内容 u研究背景研究背景 u试验试验整理整理 u数值模拟数值模拟 u遇到遇到问题问题 u近期计划近期计划 兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 一、一、研究背景研究背景 兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 钢管混凝土

2、和其它混凝土结构一样,在役期间,不可避免地要受到意外 撞击的作用,如失事飞机对高层、超高层建筑的冲击,船舶因偏离航线对桥 梁和海上钻井平台的撞击,爆炸对地面及地下结构的冲击,汽车对混凝土结 构的意外碰撞等。钢管混凝土常作为建筑的梁、柱承重结构,其遭受撞击 时,一旦损伤和破坏将引起生命和财产的巨大损失。因此,结构受撞击破坏 的研究有着十分重要的工程背景,受到工程界的高度重视。由于钢管混凝 土构件强度高,变形能力强,具有良好的吸能能力,其组合结构已经在土木 工程结构中得到了广泛的应用，如超高层建筑、多层住宅建筑、大跨空间 结构、地铁站、电力塔架和桥墩等。因此,无论从结构意外撞击的角度,还 是从钢管

3、混凝土的开发应用角度,都急需对钢管混凝土构件的耐撞性做出 评价。 兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 目前对于钢管混凝土等结构形式在冲击荷载下的力学性能已经展开 了一些相关的研究工作，包括试验研究和理论研究。理论研究主要包括 数值模拟和简化模型。很多研究者建立了相关的有限元模型，并采用试 验数据对模型的精度进行了验证。 但对于钢管混凝土构件的冲击问题中还有待进一步深入研究。特别 是内配型钢的钢管混凝土构件，作为一种新型组合构件，已经在工程实 践中得到应用，但现有实验中对这种类型的构件的抗冲击试验还很少。 所以系统研究其力学性能及设计方法具有重

4、要的意义。 兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 二二、试验整理试验整理 兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 目前对于钢管混凝土结构的冲击问题的试验研究： 陈肇元等(1986)1最早进行了42根钢管混凝土短柱的轴向冲击试验， 试验发现钢管混凝土短柱的抗冲击性能较好，且具有十分良好的延性。 王蕊(2008)2、刘亚玲(2005)3 、贾电波(2005)4和王兆(2009)5等人 采用落锤冲击试验机对钢管混凝土构件在侧向冲击下的力学行为进行了 研究。试验构件均为梁构件，边界条件包含两端固支、两端简

5、支、固简 支和悬臂四种类型；钢管混凝土均为直径为114mm的圆截面试件，钢管 厚度有1.7mm，3.5mm，3.5mm，3.8mm，和4.5mm共5种。试验中某些两 端固支试件中考虑了预加轴力的影响。试验中得到了试件的破坏模态、 冲击力时程曲线和跨中挠度等。结果表明，钢管混凝土试件在冲击荷载 下具有较高的承载力和良好的塑性变形特征。 兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 侯川川(2012)6利用湖南大学重型超高落锤试验机对圆钢管混凝土的 抗冲击性能进行了试验研究,并基于ABAQUS 进行了有限元分析，结果 发现模拟和试验吻合较好。 朱翔(201

6、5)7采用太原理工大学落锤冲击试验机完成了对加轴力和未 加轴力两种情况下的RC柱，外包钢管加固RC柱,及新型复合柱在侧向冲 击下的试验研究。基于抗冲击试验结果，采用三种通用非线性有限元软 件MSC.Marc、ABAQUS 和Ansys/LS-DYNA对撞击试验进行了模拟，对 比了有限元模拟的计算结果，对不同类型柱子建议了最为合适的分析软 件。 兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 国内钢管混凝土在冲击荷载下的试验研究结果汇总于表 2.1 各参数意义如下：D为圆钢管混凝土试件截面直径，B为方钢管混 凝土试件截面变长，ts为外钢管厚度，L 为试件净

7、跨度，V0为落锤撞击 时刻速度，E0为冲击能量大小。 序序 号号 D(B)tsL /mmmmmm V0 /m/s E0 /k J 试件试件 个数个数 数据数据 来源来源 1 -1803.6512004.5-14.52.0-34.544侯川川1 2 -114(1.74.5) 1200 4.3-9.64.2-21.712王蕊2 3 -114(3.54.5) (600-1200 )_5.9-16.716刘亚玲3 4 -114(3.54.5) 1200 4.5-13.4_20贾电波4 5 -114(1.74.5) 1200 _1.6-23.033王兆5 6 -11421200 _9.124朱翔6 兰州

8、理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 三三、数值模拟数值模拟 兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 3.1 试验工况试验工况 利用ABAQUS中的钢材的二次塑流模型，混凝土的塑性损伤模型，并采用 论文给出的动本构关系模型（具体看侯川川论文P50-P53），使用试验的构件 的参数，建立ABAQUS数值模拟模型，计算固简支情况下构件的冲击力时程曲 线和跨中挠度曲线，并与钢管混凝土构件的冲击试验结果进行对比。所选取的 试件为CS2，试件信息如下： 本算例选自文献：侯川川低速横向冲击荷载下圆钢管混凝土构件的

9、力 学性能研究D北京: 清华大学, 2012 试件编号试件编号边界条件边界条件L/mmH/mV0/m/sm0/kgE0/k J/mm CS2固简支24005946518.8390 兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 试验加载方法：给出落锤的质量和撞击试件瞬时的冲击速度等试验 参数，落锤冲击在试件的中部，如下图所示： 兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 3.2 建模要点建模要点 3.2.1 钢材本构关系模型-选用二次塑流模型，考虑到本文中的钢材 的应变率相对较低，因此采用 Cowper-Sym

10、onds 模型进行计算。 核心混凝土本构关系模型-采用塑性损伤模型，本文考虑混凝 土受压应变率效应如下： Property： 兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 3.2.2Interaction ： l 钢管与混凝土 通用接触 l 钢管与落锤界面：通用接触 所有的接触面包括钢管混凝土，钢管落锤等的法线方向 均采用硬接触：钢管和混凝土界面，钢管和落锤接触面的切线方 向均采用库伦摩擦模型。钢管与混凝土界面的摩擦系数取0.6，钢 管与落锤的摩擦系数设为0。 兰州

11、理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 可以看出，钢管混凝土构件发生了明显的弯曲变形，材料塑性变形主要分布在跨中冲 击部位附近。截面上部和底部塑性区域范围较广，且应变数值较大。从跨中截面变形图示 中可以看出，由于落锤的接触作用，截面顶部发生了局部凹陷，但凹陷量很小，变形后截 面基本仍保持为圆形。 兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 Visualization： 混凝土应力云图钢管应力云图 由于混凝土的支撑作用，外钢管塑性变形发展充分，破坏模态发生了改 变；外钢管的约束作用则使得混凝土在冲击荷载下的脆

12、性破坏特征大大改善 3.2.3 兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 3.2.4 模型验证模型验证 由以上CS2试件的跨中挠度曲线可以看出，该试件的跨中挠 度极值误差为27%，误差过大，而论文里的数值模拟曲线与试验 曲线基本吻合，所以在建模方面还有待完善。 0 20 40 60 80 100 120 140 00.010.020.030.040.050.060.070.08 挠度 /mm 时间 t/s CS2跨中挠度曲线 试验值 模拟值 兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 四四、遇到问题遇到问题 兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 1.不知道如何提取冲击力时程曲线 兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 兰州理工大学土木工程学