薄柔H型钢构件抗恻向冲击性能研究

发布时间：2020-03-19 06:55

【摘要】：薄柔截面构件由于其截面形状经济合理,当单位长度重量一定时,相对于普通截面钢构件,薄柔截面钢构件具有更大的弹性抗弯刚度及屈服弯矩,更满足钢结构节材、节能和环境友好的特点,在轻量化低多层钢框架体系中有着广泛的应用。近年来,国内外恐怖袭击、爆炸、火灾等极端灾害造成的结构倒塌事故常有发生,对结构的安全造成严重影响,而现有规范对结构的抗冲击设计考虑较少,因此,亟需对薄柔截面钢构件的抗冲击性能展开系统研究。本文以薄柔H型截面钢构件为主要研究对象,采用实验、理论和数值模拟相结合的方法,研究其在低速冲击荷载作用下的各项抗冲击性能,并建立了薄柔H型截面钢构件受侧向冲击荷载作用的理论模型,为薄柔构件的抗冲击设计提供依据,主要研究内容及结论如下:(1)进行了13个不同宽厚比及轴压比组配下的大宽厚比H型截面钢构件的冲击实验,试件边界条件为一端固支一端滑动,冲击位置距柱底1/3处。结果表明:H型截面钢柱受冲击荷载作用下的变形模式为整体弯曲变形与局部变形的耦合。冲击发生时,H型钢柱在冲击部位的上翼缘有明显的下凹,腹板出现明显的非对称面外变形;形成了明显的局部变形,使H型钢柱在冲击点处形成塑性铰;随着变形的发展,在H型钢柱的固定支座附近下翼缘产生了压曲变形。实验中对腹板厚度、翼缘厚度、冲击能量、轴压力等影响构件抗冲击性能的主要参数进行了研究。实验结果表明,随着腹板、翼缘厚度的增大,冲击力峰值增长且增长较为明显;冲击力的平台值也增大,平台持续的时间逐渐减小。翼缘厚度的增长对冲击力平台值影响较为显著,而腹板厚度对冲击力峰值影响较为显著。相同荷载条件下,高截面试件经历冲击的时间较长,矮截面试件变形速率较快,两种截面试件的变形相差不大。(2)考虑材料应变率效应的影响,建立了H型钢构件受侧向低速冲击的有限元模型。采用本文及其他研究者的相关实验数据对有限元模型的精度进行了比对,验证了模型的可靠性。利用该有限元模型对薄柔H型截面钢构件在冲击荷载作用下的构件破坏形态、冲击力、变形、受力状态及应力发展等进行了分析。同时研究不同的参数对构件在冲击荷载下力学性能的影响。结果表明,冲击能量的增加导致钢构件耗能的增加;冲击时间主要由冲击质量决定;最大冲击力主要由冲击速度决定。同时冲击速度使钢构件单位位移下的耗能提高,而冲击质量并不能改变构件在单位位移下的耗能。随着轴压比的增大,冲击力降低,撞击处位移增大;耗能逐渐增大;且轴压力对构件耗能在冲击力平台阶段的影响显著。(3)基于柱的变形模态及能量平衡并利用塑性铰线理论,建立了考虑局部屈曲的薄柔H型截面钢柱受侧向撞击的理论模型,给出了构件局部屈曲的变形发展全过程,得到了构件局部屈曲处的耗能及使其发生破坏的临界冲击能量,并与有限元结果比对验证了该理论模型的有效性。在此基础上,利用该理论模型对轴压力和冲击位置进行了参数分析,结果表明随着柱所受轴压力的增大,柱在失效之前产生的侧向变形逐渐减小,构件临界冲击速度逐渐降低;冲击位置越靠近柱底,构件临界冲击速度越大;随着施加的轴压力减小,柱轴向移动导致的轴压力所做的功增加,塑性耗散能也增加。(4)固定端的实现是保证实验结果的先决条件,本文冲击实验的固定端采用螺栓连接,而螺栓松动属于微小损伤,常规方法难以辨别,但会对实验结果产生一定影响。为确保冲击实验结果的精确性,利用压电陶瓷的主动传感技术对H型钢柱柱脚螺栓松动进行监测,通过使用信噪比较高的时域反演法,分析了聚焦信号的峰值来持续监测柱底螺栓的健康状况,模拟了工程实际中的螺栓松动监测,得到了本实验中试件与夹板之间的最大适合预应力为70N?m。实验结果表明柱底螺栓预应力的大小会影响柱底与夹板之间的实际接触面积,进而影响聚焦信号的峰值大小。在预应力值达到饱和之前,聚焦信号的峰值随着柱底螺栓预应力值的增大而明显增大。
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大型钢结构

国家体育场苏通长江大桥图 1-1 大型钢结构建筑Fig.1-1 Large steel structure buildings根据力学性能的不同，在以截面分类为基础的钢结构设计规范中，不同截面类别的构件对应着不同的设计准则[3-5]。薄柔截面构件是指不满足钢结构构件截面分类准则中塑性截面要求的板件组成的大宽厚比截面构件。当单位长度重量一定时，相对于普通截面钢构件，薄柔截面钢构件截面形状经济合理，且具有更大的弹性抗弯刚度及屈服弯矩更满足钢结构节材、节能和环境友好的特点。随着我国城镇化的不断发展，近年来多层钢结构在国内逐步推广，H 型钢作为梁柱构件的支撑，其结构稳定性高，，适用于承受振动和冲击荷载大的建筑结构，抗自然灾害能力强，特别适用于一些多地震发生带的建筑结构以及桥梁、船舶、起重运输机械、设备基础等[6-11]。据统计，在世界上发生 7 级以上毁灭性大地震灾害中，以 H 型钢为主的钢结构建筑受害程度最小[12]。而薄柔 H 型钢

荷载图,荷载,侧向冲击,抗冲击性能

防撞柱受汽车的撞击图 1-2 意外荷载的撞击Fig.1-2 Buildings impacted by accidental loads侧向冲击下钢结构的破坏模式及响应 H 型截面钢构件抗冲击性能研究综述本节对普通 H 型截面钢构件受侧向冲击的研究进行了整理与总结，考察了该类构件击荷载下的各项抗冲击性能，包括冲击力、塑性变形能力及耗能能能力等的研究，现有研究的不足进行了总结。王蕊[34, 35]、郭昭胜[36]、裴畅[37]等人利用 DHR9401 落锤冲击实验机[38]对 12 根热轧钢构件在侧向撞击荷载下的力学性能进行了实验研究。重点观察了边界条件和冲击
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TU391

【参考文献】