钢管混凝土框架外加强环边、角柱节点的抗爆性能研究

发布时间：2020-10-17 22:18

　　 21世纪以来,世界各地频繁发生恐怖袭击和意外爆炸事故,爆炸冲击波作用于建筑结构上造成结构破坏甚至发生倒塌,对人们的生命财产造成极大损害,因此建筑结构的抗爆研究已成为近年来结构设计领域的重要课题。近年来,大量关于钢管混凝土结构的研究表明,钢管混凝土结构具有优秀的抗爆性能,在结构抗爆设计中有很大的潜力。目前对钢管混凝土结构的抗爆研究主要集中于钢管混凝土柱构件的抗爆研究中,对于梁柱连接的节点位置的抗爆性能研究甚少,而节点位置作为框架结构得以形成的关键部位,其对保证整个结构的整体性和稳定性起着关键作用。因此,研究钢管混凝土框架节点的抗爆性能对建筑结构抗爆设计具有重要的理论和实际意义。本文根据课题组此前于南京所做的钢管混凝土试件的爆炸试验,使用LS-DYNA有限元软件,建立炸药、空气、钢管和混凝土模型,对钢管混凝土试件在2号岩石乳化炸药爆炸作用下的动力响应全过程进行模拟,分析爆炸冲击波产生、传播、作用在试件迎爆面上以及试件发生响应的全过程,通过对比有限元模型和试验中的试件变形形态、测点超压时程曲线、冲量时程曲线、位移时程曲线等关键数据,验证有限元模型参数以及材料参数的准确性。根据已验证的有限元模型参数和材料参数,建立圆钢管混凝土框架外加强环边柱、角柱节点的爆炸试验有限元模型,并提出一种适用于大规模结构爆炸试验模拟的“改良定义荷载曲线法”,即先采用直接模拟法计算得到所需研究的炸药在爆轰时产生的超压荷载时程曲线,然后把荷载曲线以均布荷载的形式施加于结构迎爆面上,以达到计算精度和计算效率的平衡。使用该法对圆钢管混凝土框架外加强环边柱、角柱节点进行抗爆性能研究,分析节点的变形情况、关键点位移、加强环板应力及梁柱应力等数据,研究节点在爆炸荷载作用下的破坏机理,并通过大量有限元模型的计算,分析比例距离、材料强度、钢管壁厚、加强环板宽度和加强环板厚度对节点抗爆性能的影响。结果表明采用“改良定义荷载曲线法”能准确模拟结构在爆炸荷载作用下的动力响应,圆钢管混凝土框架外加强环边柱、角柱节点有较好的抗爆能力,在大当量炸药爆炸时,框架梁对节点区域有很强的支撑作用,能有效限制节点区域的位移,爆炸中节点的薄弱部位出现在型钢梁与加强环板连接的部位以及钢管混凝土柱跨中。在相同工况下,外加强环角柱节点拥有比边柱节点更优的抗爆性能。同时,参数分析显示比例距离对节点破坏情况有显著影响,比例距离越大,节点破坏情况越轻微,材料强度、钢管壁厚、加强环板厚度和型钢梁上下翼缘板厚度的增加均能在不同程度上增加节点的抗爆性能,而在用钢量增量一定的前提下,增加钢管厚度比增加加强环和型钢梁上下翼缘板厚度更能增强节点的抗爆性能。
【学位单位】：广州大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TU398.9
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
    1.1 选题背景和意义
    1.2 国内外研究现状
        1.2.1 钢管混凝土构件的抗爆抗冲击性能研究
        1.2.2 钢管混凝土构件在爆炸作用下的数值模拟
        1.2.3 钢管混凝土框架节点的性能研究
    1.3 本文的研究内容和技术路线
        1.3.1 主要研究内容
        1.3.2 技术路线
第二章 炸药爆炸和爆炸冲击波
    2.1 爆炸基本现象
    2.2 爆炸冲击波
        2.2.1 爆炸冲击波在空气中的传播
        2.2.2 爆炸冲击波的危害
        2.2.3 作用在建筑结构上的爆炸荷载
    2.3 2号岩石乳化炸药
        2.3.1 2号岩石乳化炸药的爆轰性能
        2.3.2 炸药爆轰产物的JWL状态方程
    2.4 材料的应变率强化
        2.4.1 钢材的应变率强化
        2.4.2 混凝土的应变率强化
    2.5 本章小结
第三章 钢管混凝土试件的爆炸全过程模拟
    3.1 数值模拟简介
        3.1.1 ANSYS/LS-DYNA简介
        3.1.2 ANSYS/LS-DYNA分析流程
        3.1.3 ANSYS/LS-DYNA的基本算法
        3.1.4 简化积分单元和沙漏控制
        3.1.5 ANSYS/LS-DYNA对爆炸作用的模拟
    3.2 钢管混凝土试件的爆炸全过程模型
        3.2.1 模拟工况
        3.2.2 单元类型
        3.2.3 有限元模型的建立
        3.2.4 材料模型
        3.2.5 网格划分
        3.2.6 边界条件
        3.2.7 定义接触
    3.3 模拟结果分析
        3.3.1 爆炸冲击波的传播
        3.3.2 超压时程曲线
        3.3.3 冲量时程曲线
        3.3.4 试件的变形情况
        3.3.5 试件的位移时程曲线
        3.3.6 误差分析
    3.4 本章小结
第四章 钢管混凝土外加强环节点的爆炸试验模型
    4.1 钢管混凝土框架外加强环节点模型的建立
        4.1.1 模拟工况
        4.1.2 模拟方法
        4.1.3 改良定义荷载曲线法的算例验证
        4.1.4 有限元模型的建立
        4.1.5 网格划分
        4.1.6 爆炸荷载的施加
    4.2 钢管混凝土框架外加强环节点爆炸作用下的动力响应
        4.2.1 模型变形情况
        4.2.2 关键点位移
        4.2.3 加强环板应力
        4.2.4 梁柱应力
    4.3 影响钢管混凝土框架外加强环节点抗爆性能的参数分析
        4.3.1 比例距离
        4.3.2 钢材强度等级
        4.3.3 混凝土强度等级
        4.3.4 钢管壁厚
        4.3.5 加强环板宽度
        4.3.6 加强环板厚度
    4.4 本章小结
第五章 总结与展望
    5.1 总结
    5.2 展望
参考文献
攻读硕士学位期间发表学术论文情况
致谢

【参考文献】

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本文编号：2845377