浅论钢管混凝土在冲击荷载作用下实验研究和有限元分析

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1、湖南大学硕士学位论文钢管混凝土在冲击荷载作用下实验研究和有限元分析姓名：单建华申请学位级别：硕士专业：结构工程指导教师：肖岩20070508钢管混凝土在冲击荷载作用下实验研究和有限元分析摘要钢管混凝土具有很多优良的性能并在工程上得到了广泛的应用，然而对钢管混凝土抗冲击性能的研究仍处于探索阶段。为此本文从实验和数值模拟两方面对钢管混凝土抗冲击性能进行了研究，以了解钢管混凝土在冲击荷载下的基本性能，并探讨研究钢管混凝土抗冲击性能的各种方法。本文首先介绍了分离式霍普金森杆实验装置及其基本原理，并用74mm杆径的变截面霍普金森杆对外

2、径为50mm的钢管混凝土试件进行了三组气压下的冲击实验，同时进行了两组气压下的素混凝土冲击实验用于动态力学性能对比。实验发现混凝土在冲击荷载作用下完全粉碎，而钢管混凝土加载后形状保持较好，将混凝土的脆性破坏转变为了塑性破坏。实验测得了各个试件的动态平均应力应变曲线，并由此得到了它们的平均应变率、动态抗压强度、峰值应变、残余强度和割线刚度等基本力学性能数据。实验测得了钢管混凝土的动态增大系数，通过将钢管和混凝土两部分动态承载力的叠加，在已有研究的基础上得到了钢管混凝土动态增大系数计算公式。测得了钢管混凝土钢管中部的应变，在一定

3、假设的基础上根据钢管的应变计算得到了钢管对混凝土的最大约束应力。由于霍普金森杆实验试件高径比以及加载能量受到了较大限制，本文又采用57mm口径的一级轻气炮进行了更大长径比和更高冲击能量的钢管混凝土和约束钢管混凝土高速冲击实验。实验获取了钢管的应变时程曲线和钢管混凝土在不同冲击速度下的破坏形态，探讨了碳纤维约束对钢管混凝土抗冲击能力的影响，利用动量定理和一些相关假设计算得到了试件的动力增大系数，并由此来观察钢管混凝土和约束钢管混凝土在高速冲击荷载作用下的应变率相关性。作为对实验的验证和有益补充，本文最后利用通用有限元软件LS-

4、DYNA对轻气炮实验进行了模拟，详细介绍了有限元模型的建立，包括单元选取、接触定义以及材料模型的选取等。将模拟结果和实验结果进行了对比，并在有限元模拟结果的基础上探讨了碳纤维约束和钢管壁厚壁变化对钢管混凝土抗冲击性能的影响。关键词：冲击荷载；钢管混凝土；霍普金森杆；轻气炮；应变率；动态增大系数；LS_DYNAII硕士学位论文AbstractConcretefilledsteeltubes(CFT)arewidelyappliedincivilandmilitaryconstructionsforitsexcellentpro

5、perties.However,researchonitsimpactresistantbehaviorisstillintheimmaturestage.ThisthesisstudiedtheimpactresistantcapacitiesofCFTbymeansofexperimentsandnumericalsimulationtoobtainthefundamentalbehaviorofCFTunderimpactloadandinvestigatepossiblewaytoimprovethebehavior

6、.ThefundamentalsofSplitHopkinsonpressurebar(SHPB)isfirstintroducedinthisthesis.TheCFTimpactexperimentunder3setsofairpressurewasperformedusingthe74mm-diametervariablecrosssectionSHPBtogetherwiththeplainconcreteimpactexperimentunder2setsofairpressureforcomparisonofth

7、edynamicbehavior.UnderdynamicloadtheplainconcreteinthisexperimentcrushedcompletelywhiletheCFTspecimenscanstillholdtheirshapewithlittledamageandthuschangedthebrittlefailureofplainconcretetoplasticfailure.Inthisexperimenttheaveragestrainrate,dynamiccompressionstrengt

8、h,ultimatestrain,residualstrengthandthesecantstiffnesswereobtainedthroughprocessingdataofthepressurebarstrainrecorded.Thedynamicincreasefactorofc