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冲击荷载下钢管混凝土动态力学性能试验研究

余道兴

  随着车撞桥墩、船撞桥墩、恐怖爆炸和偶然爆炸事件的增多,桥梁等工程结构遭受冲击和爆炸作用的可能性正日益增大,越来越多的学者关注强动荷载下工程材料的动态力学性能。既有研究表明:钢管混凝土在准静态荷载下具有良好的力学性能,但对其动态力学性能的研究相对较少,本文采用试验研究、数值分析和理论分析相结合的方法研究了钢管混凝土的动态力学性能,主要工作如下:(1)利用直径75mm的霍普金森压杆(SplitHopkinsonPressure Bar,SHPB)实验装置进行了钢管混凝土的高速冲击试验,研究不同撞击速度、不同试件参数下钢管混凝土试件的应变率效应及相关力学特性。(2)对LS-DYNA中的混凝土 K&C、CSC和HJC模型进行详细的对比分析;建立混凝土 SHPB试验的数值模型,分析了混凝土在SHPB冲击试验中破坏过程、应力-应变关系曲线和变形特征。(3)建立了钢管混凝土 SHPB试验的数值模型,模拟钢管混凝土的高速冲击试验过程,研究了含钢率、钢管强度、混凝土强度、试件长径比、空心率等参数对钢管混凝土动态力学性能的影响。(4)分别针对无约束混凝土、钢管约束的混凝土和钢管混凝土的动态应力-应变关系进行研究,为建立便于工程应用的动态本构模型提供参考。主要结论如下:(1)SHPB冲击试验研究表明:与混凝土相比,钢管混凝土的界限应变率较小,率敏感性较低,但具有较好塑性变形能力、耗能能力和抗冲击能力;在本文试验研究的应变率范围内,钢管对混凝土的动态约束力随应变率的增大而提高;含钢率对钢管混凝土动力放大系数影响最大,其次为混凝土强度;提出了钢管混凝土动力放大系数计算公式可较好地反映钢管混凝土抗压强度在冲击荷载下的动力放大。(2)K&C、HJC和CSC模型均能在一定程度上反映混凝土在冲击荷载下的应变率效应和应变软化性质。K&C和CSC模型的失效模式主要是核心塌陷,HJC模型表现出留核现象。综合来看,K&C模型最适用于冲击荷载下混凝土的动力响应分析。(3)钢管混凝土 SHPB试验的数值模拟研究表明:钢管厚度、钢管强度、混凝土强度、长径比和空心率等参数对钢管混凝土的动力特性均有影响,其中钢管强度、含钢率和空心率对钢管约束应力的影响较大。(4)建立了无约束混凝土、钢管约束的混凝土以及钢管混凝土的动态应力-应变关系,其结果与试验结果或数值模拟结果较为吻合,基本可以反映混凝土和钢管混凝土在冲击荷载下的力学行为,可供工程设计及分析参考。……   
[关键词]:钢管混凝土;冲击荷载;SHPB试验;动态力学性能;数值模拟;动态应力-应变关系
[文献类型]:硕士论文
[文献出处]:东南大学2017年
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