爆炸荷载下钢箱梁桥动力响应机理与关键参数研究∗

为了探讨钢箱梁桥在爆炸荷载下的动力响应机理及关键参数对其影响规律,基于流固耦合方法,建立了钢箱梁桥、空气和炸药有限元模型,分析了爆炸荷载下钢箱梁桥动力响应机理。随后针对钢箱梁桥的关键参数,分析了各参数对钢箱梁桥的动力响应影响灵敏度,提出了钢箱梁桥在抗爆设计时参数选取规律。研究结果表明：在爆炸荷载作用下,钢箱梁桥的破坏主要分为三阶段。钢材性能由 Q345 提高为 907A 钢,钢箱梁桥的凹坑深度和塑性变形区面积减小了 33.91% 和 27.93%;截面形式和爆炸位置两个关键参数的改变涉及纵横隔板对主要迎爆区薄弱位置的加固,能够明显提高钢箱梁桥的抗爆能力。比例距离 0.1 m/kg^1/3 ,爆炸位置相同,约束形式由简支改为固支,对钢箱梁桥抗爆性能提升几乎无影响。     

火灾下约束钢柱临界温度的参数分析

利用经实验验证过的ABAQUS有限元模型对轴力和弯矩共同作用下的约束钢柱进行了参数分析。以钢柱的屈曲温度和临界温度作为主要的评价指标,主要考虑了轴力荷载比、弯矩荷载比、轴向约束刚度比、转动约束刚度比、长细比和钢柱端部弯矩比等参数的影响,并且对不同参数之间的耦合性进行了分析。参数分析结果表明,轴向约束刚度的增大将会明显降低约束钢柱的屈曲温度,但是对其临界温度的影响相对较小;端部弯矩比对钢柱的临界温度影响很小;当钢柱的轴力荷载比和弯矩荷载比较小、轴向约束刚度比和长细比较大时,考虑屈曲后性能可以显著提高钢柱的抗火能力。     

燃气爆炸作用下地下综合管廊动力响应模拟

针对地下综合管廊结构的抗爆性能,依托某工程实例,建立综合管廊结构在燃气爆炸荷载作用下的三维有限元模型,确定燃气爆炸荷载曲线及其在地下管廊上的加载方式,分析了地下管廊在燃气爆炸荷载作用下的动力响应,讨论了燃气爆炸荷载峰值、持时等主要参数对地下管廊衬砌动力破坏特征的影响。结果表明,燃气爆炸荷载作用下,管廊衬砌的损伤破坏具有局部性和弱传递性;当超压峰值小于0.2 MPa,管廊损伤程度不大;随燃气爆炸荷载峰值的增大,管廊衬砌的损伤程度逐渐加重,达到0.7 MPa时,即便较短持时,燃气室也将出现明显破坏;随燃气爆炸荷载持时的增大,管廊结构损伤破坏加重;相同冲量时,荷载达到峰值时间越短,管廊衬砌的损坏范围和损伤程度越大。     

约束PEC柱(绕强轴)的耐火性能及影响因素分析北大核心CSCD

利用ABAQUS有限元软件,建立了ISO-834标准升温条件下四面受火约束部分包裹混凝土(PEC)柱抗火分析有限元模型,应用已有的约束PEC柱抗火试验数据,验证了模型的合理性。应用上述模型,分析了轴向约束刚度比、荷载比、偏心率、截面尺寸等参数以及弯矩分布模式对约束PEC柱抗火性能的影响。结果表明:约束PEC柱(绕强轴)的轴向变形和轴力变化系数都呈现出先逐渐增大然后逐渐降低,最后以较大速率持续降低的趋势;截面边长和弯矩分布模式对约束PEC柱轴向变形和轴力变化系数的影响不显著;荷载偏心率对柱的轴向变形影响较小;轴向约束刚度比越小或荷载比越小,轴向变形就越大;荷载比越小或约束刚度比及荷载偏心率越大,轴力变化系数峰值就越大;3种弯矩分布模式中,均匀弯矩分布模式最不利,柱的耐火极限时间最短,而三角形弯矩分布模式与异号弯矩分布模式下PEC柱的耐火极限差别不大。     

约束PEC柱(绕强轴)的耐火性能及影响因素分析

利用ABAQUS有限元软件,建立了ISO-834标准升温条件下四面受火约束部分包裹混凝土(PEC)柱抗火分析有限元模型,应用已有的约束PEC柱抗火试验数据,验证了模型的合理性。应用上述模型,分析了轴向约束刚度比、荷载比、偏心率、截面尺寸等参数以及弯矩分布模式对约束PEC柱抗火性能的影响。结果表明:约束PEC柱(绕强轴)的轴向变形和轴力变化系数都呈现出先逐渐增大然后逐渐降低,最后以较大速率持续降低的趋势;截面边长和弯矩分布模式对约束PEC柱轴向变形和轴力变化系数的影响不显著;荷载偏心率对柱的轴向变形影响较小;轴向约束刚度比越小或荷载比越小,轴向变形就越大;荷载比越小或约束刚度比及荷载偏心率越大,轴力变化系数峰值就越大;3种弯矩分布模式中,均匀弯矩分布模式最不利,柱的耐火极限时间最短,而三角形弯矩分布模式与异号弯矩分布模式下PEC柱的耐火极限差别不大。     

约束钢柱火灾下失效过程静力与动力分析对比

为研究受约束钢柱在火灾下的失效全过程响应,以及静力分析方法是否依然适用于临界温度之后的响应分析,建立了柱端受轴向和转动约束的钢柱火灾下简化分析模型,考虑两种不同的工况,分别采用静力和动力分析方法对受火钢柱进行了失效全过程分析。结果显示,根据约束刚度大小以及承受荷载大小的不同,受约束钢柱在火灾下的屈曲后响应可能是拟静力的,也可能伴随显著的动力效应。钢柱温度达到临界温度以前,静力分析、拟静力分析与动力分析结果基本一致。钢柱达到临界温度后的响应,若柱后屈曲响应为拟静力过程,则静力分析与动力分析结果基本一致,若柱后屈曲响应存在明显的动力效应,则静力分析会不收敛,拟静力分析得到的最大柱顶竖向位移会小于动力分析的结果。因此对于钢柱后屈曲响应,静力分析、拟静力分析可能导致偏于不安全的抗火设计。     

爆炸荷载作用下方钢管混凝土柱的动力响应及破坏机理

方钢管混凝土柱是被广泛采用的组合构件之一.爆炸发生时产生的爆炸冲击波可能会对框架结构内部的方钢管混凝土拄造成严重破坏,然而目前对其动力响应及破坏机理的研究成果相对较少.本文采用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA对爆炸荷载作用下方钢管混凝土柱的动力响应和破坏机理进行了研究分析.建立了方钢管混凝土拄实体有限元模型,其...     

约束钢筋混凝土十字形柱的高温轴力分析

利用结构抗火分析软件SAFIR,研究了高温下约束十字形柱的轴力变化过程,考察了众多参数对该过程的影响规律,初步建立了其实用计算方法。研究结果表明:1荷载比、轴向约束刚度比、转动约束刚度比、荷载偏心率、截面尺寸对该变化过程影响较大,而柱长度、材料强度、混凝土保护层厚度、配筋率则对该过程影响较小。2随着轴向约束刚度比增加,轴压柱和偏压柱的轴力变化系数峰值均逐渐增大,且后者的增大效应相比前者更为显著。3有无转动约束存在对轴压柱和偏压柱的轴力变化系数峰值影响有限,非零转动约束刚度比的大小对轴力变化系数随升温时间的变化过程影响很小。4随着荷载比增加,轴力变化系数峰值迅速减小,这一趋势对于偏压柱更为显著;随着荷载偏心率增加,轴力变化系数迅速增大。由于火灾中相邻构件之间相互约束作用的客观存在,正确把握高温下约束构件的内力变化过程对科学解释其真实火灾行为是必要的。     

考虑梁端约束CFST柱-RC梁节点耐火性能研究

针对火灾下钢管混凝土(CFST)柱-钢筋混凝土(RC)梁节点的力学性能,建立了火灾下节点温度场和力学场分析的有限元模型,并利用已有试验结果验证了有限元模型的有效性。研究了材料参数、几何参数、荷载参数及梁端约束刚度对CFST柱-RC梁节点耐火极限的影响,重点考察了梁端轴向和转动约束刚度对火灾下CFST柱-RC梁节点弯矩-转角关系、转动刚度和截面内力分布规律的影响。结果表明,CFST柱-RC梁节点在火灾下有两种破坏形态:柱破坏和梁板破坏,梁端约束对CFST柱-RC梁节点耐火极限的影响较小,但梁端轴向约束对火灾下CFST柱-RC梁节点弯矩—转角关系、转动刚度和截面内力分布规律的影响显著。     

混凝土梁式托柱转换层结构抗震性能分析

正确认识梁式托柱结构的抗震性能,是对此类型转换层结构进行合理抗震设计的基础。以某多层带梁式托柱转换层的钢筋混凝土框架为研究背景,分别建立了3种不同柱截面尺寸的梁式托柱转换层结构有限元模型,采用Pushover方法对结构进行静力弹塑性分析,分别对小震和大震下具有不同柱截面尺寸的梁式托柱转换层结构的层间位移反应和塑性铰分布状态进行了分析比较,评价了梁式托柱转换层结构的抗震性能,并给出有益的设计建议。结果表明:小震作用下,柱截面尺寸变化对转换层下部结构的位移响应影响较小,转换层上部结构的层间位移角发生突变,且随着上托柱截面尺寸的增大,层间位移角表现出减小的趋势;大震作用下,柱截面尺寸变化对梁式托柱结构的层间位移角影响更大。此外,在转换层处和底层框架中易出现"强梁弱柱"现象。     

钢管混凝土叠合柱温度场试验研究

研究了ISO-834标准火灾作用下钢管混凝土叠合柱的温度场。完成了8根叠合柱的火灾试验,考虑因素包括试件截面尺寸、截面类型和含管率。建立了有限元模型,并对试验结果进行参数分析。以方形截面叠合柱为例,分析了火灾时间、受火方式、截面尺寸、长细比、含管率、纵筋配筋率等参数变化对截面温度场的影响规律。火灾时间相同情况下,试验结果表明:(1)含管率相同时,截面尺寸越大,柱内温度越低;(2)截面尺寸相同时,含管率的变化对柱内温度场影响较小;(3)方形截面柱的边长和圆形截面柱的直径相同时,方形截面柱内温度低于圆形截面柱内温度。有限元模型模拟结果表明:火灾时间、截面尺寸和受火方式是影响叠合柱温度场分布的主要因素。     

约束高强度Q460钢柱抗火性能分析

为了研究高强度约束钢柱在火灾下的反应,根据高强度结构钢Q460在高温下的力学性能参数,建立了约束高强度钢柱受火分析模型,得到了高强度约束钢柱在火灾下的轴向位移、跨中挠度、最大应力以及临界温度。采用有限元分析对理论结果进行了验证,两者吻合很好。利用验证过的该文计算方法计算了2种荷栽比、长细比和约束刚度比条件下的高强钢柱的抗火性能;采用CECS200:2006的力学性能参数计算了约束普通钢柱的抗火性能。通过对高强钢和普通钢的抗火性能分析发现,轴向约束明显降低钢柱的临界温度,长细比、荷载比越大,临界温度越低;高强钢的抗火性能要优于普通钢。     

高强钢绞线网-聚合物砂浆加固钢筋混凝土板的抗爆性能数值分析

为研究高强钢绞线网-聚合物砂浆加固混凝土板的抗爆能力,用混凝土HJC动力本构模型,建立了混凝土板、炸药及考虑空气介质影响的流固耦合有限元计算模型。用动力分析软件ANSYS/LS-DYNA,对在爆炸荷载作用下加固前、后混凝土板的破坏形态和抗爆性能进行了数值分析。研究结果表明:混凝土板用高强钢绞线网-聚合物砂浆加固后,抗爆炸冲击能力明显提高。当小药量爆炸时,板顶、板底同时加固的效果明显优于板底单一加固;当药量较大时,板顶、板底同时加固的效果与板底单一加固相差不大。     

火灾下爆炸冲击波在钢结构中的传播规律及破坏机理

为了研究爆炸冲击波对结构的影响,基于一维爆炸波轴向传播方程,结合流固耦合的方法,借助 ANSYS/ LS?DYNA 有限元软件建立三维单层单跨框架模型。考虑高温软化效应和应变率对屈服强度的影响,分析连接方式为固定端时爆炸波的传播,研究爆炸与火灾联合作用下爆炸波在钢结构构件中的传播规律及其破坏原因。研究结果表明：垂直爆炸波方向的竖向构件内力的分布具有弱传递性,沿爆炸波方向的杆件动力响应显著;700 ℃爆炸冲击波在杆端往复传播导致在钢结构杆件中传播速度明显比常温下慢,但截面轴向速度的峰值变大,约为 200 ℃的 3 倍,并且沿爆炸波方向杆件的轴向速度比垂直方向杆件的轴向速度大得多;常温下,垂直爆炸波的梁因受剪单元提前发生失效;高温下,构件损伤严重,垂直爆炸波方向的梁最先发生弯剪破坏,其次为柱剪切破坏,最后沿爆炸波方向的梁产生受压破坏。     

地震‑燃气爆炸灾害链效应对剪力墙结构的损伤研究∗

地震可能会导致管道损坏和燃气泄露并引发爆炸,从而在短时间内形成灾害链效应作用于结构上。目前研究大多对地震或爆炸单独作用于结构对其动力响应进行分析,对于这种灾害链效应所导致的损伤规律尚不清楚。 提出剪力墙结构考虑地震?燃气爆炸灾害链效应的动力响应分析方法,利用 TNT 当量法将燃气荷载等效为立方体炸药,在地震作用结束后一段时间内施加爆炸荷载以模拟灾害链效应,通过 ANSYS/LS?DYNA 软件分析结构的动力响应。以一个 12 层剪力墙建筑结构为例,选取 3 条地震波并考虑不同的爆炸位置的影响进行非线性时程分析, 研究剪力墙结构的动力响应和损伤规律。结果表明：同地震单独作用相比,地震?燃气爆炸灾害链效应会进一步导致结构的局部出现明显损伤;燃气爆炸荷载作用于结构中间楼层时,结构的总体损伤面积增大,剪力墙严重破坏甚至丧失承载能力;燃气爆炸荷载作用于楼层中心位置时,结构的损伤程度明显大于其作用于同楼层角部位置时的工况。     

地震、列车竖向荷载共同作用下大跨桥梁的动力响应分析

以地震、列车荷载共同作用下的大跨桥梁为研究对象,基于有限元分析软件,建立了地震波斜入射下包括地基土体在内的车-桥耦合动力数值分析模型。通过改变地震波的入射角度及车速,对桥梁的动力响应进行了计算分析。结果表明,地震波入射角度对桥梁的动力响应有显著的影响,随着入射角度的增大,跨中竖向位移、速度都不断地增大;在地震作用下,列车速度对桥梁动力响应的影响相对较小,桥梁结构的动力响应并不总是随着列车运行速度的增加而增加,而是在某一速度达到最大;考虑土-结构动力相互作用(SSI)时,桥梁参考点处的竖向位移显著增大,而跨中弯矩有所减小。     

爆炸冲击作用下H型钢柱损伤等级快速评估

随着燃油气的广泛使用,爆炸事件屡有发生,对建筑结构安全产生了巨大威胁。我国现行的爆炸灾损结构安全性鉴定方法以剩余承载力为指标确定其损伤等级,实际可操作性不强。针对这一问题,以《热轧H型钢和剖分T型钢》 中常用规格H型钢为研究对象,应用有限元程序LS-DYNA,建立钢结构爆炸损伤分析的有限元模型,分析了钢柱水平位移及剩余承载力。通过引入剩余承载力系数K与相对挠度ωR的概念,基于数值模拟结果研究了H型钢柱在爆炸荷载作用下的剩余承载力系数K与相对挠度ωR的关系,据此提出了钢柱受损的判定依据并划分了损伤性等级。相较现有钢柱损伤等级划分方法更具可操作性。     

高温蠕变对钢柱抗火性能的影响

钢材在高温和荷载作用下产生明显的蠕变变形,从而对钢结构在火灾下的变形和受力性能产生较大的影响。目前的结构抗火研究很少考虑蠕变的影响,为了研究高温蠕变对钢柱抗火承载力的影响,引入钢材高温蠕变参数,采用ANSYS有限元程序建立钢柱的抗火分析模型,分析了考虑高温蠕变影响的钢柱抗火性能。采用钢柱的抗火试验数据对有限元模型进行验证,两者吻合较好。利用验证过的有限元模型分析了考虑蠕变效应后钢柱的多个参数对其抗火承载力的影响,并与现行多国规范的钢柱抗火承载力进行了对比。研究表明:考虑蠕变后能更准确地预测钢柱的火灾行为,蠕变对钢柱的抗火性能产生较大的影响。现行规范中钢柱高温承载力的计算结果偏于不安全。     

不同温度下约束钢梁的落锤冲击响应分析

研究不同温度和冲击荷载作用下约束钢梁的动力响应问题。利用通用非线性有限元分析程序ANSYS/LS-DYNA,分别模拟了两端固支、一端固支一端轴向弹簧约束的钢梁在不同温度下受到落锤冲击时的动力响应。在温度荷载和冲击荷载联合作用下,分析了位移响应、撞击力时程曲线及冲量等的温度效应。通过撞击力时程曲线分析得出最大撞击力随温度的变化趋势与欧洲规范EC3给出的不同温度下的钢材的屈服强度折减系数的变化趋势相似,钢梁跨中的横向位移随着温度的升高而增加。还分析了高温和冲击荷载联合作用下落锤的撞击速度、不同的质量—速度组合、横向加劲肋对钢梁的变形的影响。     

BFRP‑FRCM加固砌体填充墙抗爆性能试验研究∗

砌体填充墙在爆炸荷载作用下会发生破坏，甚至会出现碎片飞散等现象，从而造成人员伤亡或设备损坏。为了提高砌体填充墙的抗爆性能，提出采用玄武岩纤维网?纤维增强水泥基（BFRP?FRCM）复合层加固砌体填充墙， 并通过现场爆炸试验研究复合层对砌体填充墙的抗爆加固效果，从破坏模式、碎块分布、位移响应和反射超压响应等角度对比分析了不同比例距离、加固方式砌体填充墙的抗爆性能，探究了 BFRP?FRCM 复合层对砌体填充墙的抗爆加固机理。结果表明：BFRP?FRCM 加固能够有效减弱砌体墙在爆炸荷载下的破坏程度，迎爆面加固减小了砌体墙灰缝脱落范围、爆炸碎块的数量和飞行距离，但砌体墙的残余位移较大；背爆面加固对其位移的限制效果更好，墙体无碎块飞散现象；双面加固显著提高砌体墙的抗压和抗弯承载力，墙体的峰值位移和残余位移最小，即便在比例距离较小时，双面加固后仅在砌体墙中心部位出现局部变形及细小裂缝，并未出现碎块散落现象；引入冲量和强化参数分析不同加固方案对砌体墙抗爆性能提升的影响，在相同比例距离情况下，未加固墙体与加固墙体的反射超压和冲量大致相同，但 BFRP?FRCM 加固能够提高砌体墙的强化参数。