固简支钢管混凝土构件在侧向冲击作用下的试验研究与数值模拟分析

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1、太原理工大学硕士研究生学位论文1．1钢管混凝土简介第一章绪论钢管混凝土是在钢管中填入混凝土后形成的建筑结构，按截面形状可分为方钢管混凝土、圆钢管混凝土和多边形钢管混凝土。钢管混凝土利用钢管和混凝土两种材料在受力过程中的相互作用，即钢管对混凝土的约束作用，使混凝土处于三向应力状态之下，混凝土的强度得到提高，塑性和韧性性能大为改善。同时，由于混凝土的存在可以避免或延缓钢管发生局部屈曲，可以保证其材料性能的充分发挥。通过钢管和混凝土组合而成为钢管混凝土，不仅可以弥补两种材料各自的缺点，而且能够充分发挥二者的优点。钢管混

2、凝土与其它结构相比具有以下几个特点【l】：1)轴压承载力高。2)塑性和韧性好。3)抗冲击性能较好。4)耐火性能较好。5)施工方便，加快施工速度。6)经济效果好。现代建筑工程对建筑材料和建筑结构的要求越来越高，由于钢管混凝土结构具有一系列其他结构所无法比拟的优点，它能够满足现代工程结构的大跨、高耸、重载和承受恶劣条件的需要，符合现代施工技术的工业化要求，因而被越来越广泛地应用于工业厂房、高层和超高层建筑、拱桥和地下结构中，并取得良好的经济效益和建筑效果，是结构工程科学的一个重要发展方向。我国最早开展对钢管混凝土基本

3、理论研究的是中国科学院哈尔滨土木建筑研究所。此后，国内的哈尔滨建筑大学、中国科学研究院、苏州混凝土与水泥制品研究院、北京地下铁道工程局及电力工业部电力研究所等单位都先后对基本试件的设计方法、节点构造和施工技术等开展了比较系统的研究，取得可喜的成果。这些成果已在圆形钢管混凝土柱的研究中领先于国际水平，并大致形成三个理论体系，集中反映在蒋家奋和汤关祚编写的《三向应力混凝土》，蔡绍怀编著的《现代钢管混凝土结构》，钟善桐编著的《钢管混凝土结构》和韩林海编著的《钢管混凝土结构一理论与实践》这四本书中。目前国内关于钢管混凝土

4、结构设计的国家标准还没有出台，但一些行业制定了相关设计规程，主要有以下几种：国家建材总局编制的《钢管混凝土设计与施工规程》(JCJ01—89)(1989)，中国工程建设标准化协会编制的《钢管混凝土设计及施工规程》(CECS28：90)(1992)，电力行业编制的《钢一混凝土组合结构设计规程》(DL／T5085--1999)(1999)，目前钢一混凝土组合结构己被列入国家科技成果重点推广太原理工大学硕士研究生学位论文项目，为实际工程中进一步推广应用钢管混凝土创造了条件。1．2选题的背景与意义在通常的实际工程中，对结

5、构或构件的研究大多局限于准静态问题。在这些问题中，假定外载是缓慢地施加到结构上去的，结构中的变形发展的也很缓慢。由于不必考虑物质在变形过程中的加速度，惯性力与外载相比可以忽略不计，因而可以按平衡问题来分析处理。但是，在工程实际中也经常会遇到动态冲击问题，如果外载很强，随时间变化又很快，那么结构的变形也将有很快的变化。结构动态响应是工程结构力学的重要研究领域，一方面是由于动态荷载作用下结构的响应和发生过程与静态下的有关现象大相径庭，这些不同和差异，需要人们去认知；另一方面是由于工程实践中，常常遇到诸如爆炸、撞击、地

6、震等荷载，在这些动态荷载作用下，结构、构件的变形和失效等问题需要解决。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，其组合结构不仅可用于军事、防护等大型工程，也可用于桥梁和渡槽墩柱、高速公路安全设施、矿井支柱及易受船舶碰撞的跨海大桥基础桩等一般结构工程。因此，开展对钢管混凝土冲击性能的研究，了解其在撞击荷载下的变形发展、吸能能力和结构失效等，具有较重要的理论价值和实际意义。钢管混凝土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，如咫风飞卷的碎片和失事飞机对高层、超高层建筑的冲击，船舶因偏离

7、航线或漂浮物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，汽车对结构的意外碰撞等。建筑物中，钢管混凝土构件通常为柱、拱梁等重要承重结构，遭受撞击时，一旦损伤或破坏将引起生命和财产的巨大损失。自1964年5月发生的Maracaibo桥灾难性撞击事故以来，己发生多起船舶驶离航道而撞击桥墩的重大事故；切尔诺贝利核电站核泄漏，就是初期爆炸产生的碎片猛烈冲击周围混凝上结构，使之产生变形、破坏而引起的：震惊全球的美国‘‘9．11事件”，也是飞机对高层建筑的直接撞击，由于‘‘9．11”灾难事故的发生，在世界范围内更广

8、泛引起了人们对防灾减灾工程与防护工程领域的关注，美国更是加大了该领域的研究力度。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。目前，国内外对钢管混凝土静力性能方面的研究较多，但对其在侧向撞击荷载作用下的试验分析和理论研究很少。钢管混凝土构件在冲击荷载作用下，两种材料相互作用，其撞击破坏是～个复杂的非线性动力过程。本文拟对钢管混凝土在侧向低速撞2太