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柱造成严重破坏,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柱实体有限元模型,其中混凝土采用HJC模型,方钢管采用考虑应变率的塑性随动强化模型,爆炸荷载施加在柱子一侧表面。通过对方钢管混凝土柱的破坏过程的模拟,比较分析了其在不同＂比例距离＂下的动力响应和破坏形式,进而得出方钢管混凝土柱的破坏机理。在爆炸荷载作用下,方钢管对其核心混凝土有一定的约束作用,使其处于复杂应力状态之下,从而使混凝土强度得以提高,塑性和韧性同时得到改善;同时,由于混凝土的存在,延缓了方钢管柱底和柱顶过早地发生局部屈曲。随着＂比例距离＂的增大,柱中水平位移逐渐减小。结果表明,方钢管混凝土柱具有良好的延性、优越的抗爆性能,所提出的破坏机理可供结构抗爆设计的进一步研究参考。     

外部爆炸荷载作用下网壳结构的动力响应及其影响参数分析

运用ANSYS/LS-DYNA动力有限元软件建立了包含网壳杆件、檩托、檩条、铆钉、屋面板在内的精细化K8型单层球面网壳有限元模型,通过选择考虑材料应变率效应的钢材本构关系,采用流固耦合算法并考虑构件相互碰撞影响,对结构在外部爆炸荷载作用下的动力响应进行了数值模拟,获得了TNT炸药当量、爆炸点距离、杆件截面、矢跨比、支承条件、屋面板厚度、屋面荷载及屋面板形式等参数对结构动力响应的影响规律,可为网壳抗爆防护设计提供参考。网壳结构在外部爆炸荷载作用下,随着各参数取值的变化,存在"完好无损、局部凹陷、局部破坏、整体倒塌"四种破坏类型。     

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。     

钢筋混凝土柱横向抗力的理论计算方法

为了研究钢筋混凝土（RC）柱的横向抗力特性,基于RC梁面力效应的全量应变理论进行改进,考虑了柱轴向荷载和端部约束作用。通过RC柱截面应力和弯矩关系,并基于轴力平衡,建立了轴向荷载与截面中性轴的关系方程;继而基于轴向荷载中性轴关系方程、变形协调关系和虚功原理,建立了横向均布荷载作用下RC柱的抗力方程。对方程进行解析求解,最终建立了计算RC柱横向抗力特性的非线性理论方法,并得到了RC柱横向抗力和位移关系的解析表达式。将该理论方法的计算结果与有限元计算结果进行分析比较的结果表明,本文所建立的方法能够正确反映轴向和横向荷载联合作用下RC柱的横向变形与抗力的关系。该理论模型的建立可为进一步的RC柱抗爆动力分析奠定基础。     

爆炸荷载作用下海洋平台结构的动力响应分析

采用理想化的压力—时间曲线模拟爆炸冲击荷载,压力—时间曲线为简化的三角形荷载形式。考虑应变率效应对钢材的影响,应用LS-DYNA有限元分析软件,对导管架海洋平台在爆炸冲击荷载作用下的动力响应进行数值模拟和分析,得到了不同峰值爆炸荷载作用下,海洋平台结构上层甲板、中层甲板和立面结构重要节点的动力响应时程曲线。结果表明：上层甲板和中层甲板节点竖向位移的绝对值随着爆炸荷载峰值压力的增大而增大,当爆炸荷载峰值压力为20～70kPa时,节点区域内均处于弹性状态,当爆炸荷载峰值压力为80kPa时,节点区域内进入了塑性状态。立面平台节点的水平位移随着爆炸荷载峰值压力的增大而增大,当爆炸荷载峰值压力为20～80kPa时,节点区域内进入塑性状态。     

灌浆套筒连接装配式剪力墙爆炸响应及参数分析

为了研究采用灌浆套筒连接装配式剪力墙结构的抗爆性能,应用显式动力分析软件LS-DYNA建立了现浇剪力墙和装配式剪力墙的有限元模型,对不同爆炸荷载下剪力墙的破坏形态和动态响应进行了模拟分析;扩充影响参数范围,进一步研究了墙体厚度和混凝土强度等级等因素对装配式剪力墙结构抗爆性能的影响。数值分析表明:对于装配式剪力墙,由于坐浆层处存在新旧混凝土的薄弱粘结面,爆炸作用下首先发生破坏,爆炸应力波聚集于坐浆层周围的墙体内部,导致局部发生脆性破坏;现浇剪力墙刚度分布比较均匀,爆炸作用下背爆面的混凝土首先被拉裂,最终发生弯曲破坏;增加墙体厚度、提高混凝土强度等级和改变炸药爆炸位置均可改善装配式剪力墙的抗爆性能。     

门式钢框架结构非线性爆炸响应

采用ALE多物质流固耦合方法模拟爆炸荷载,对门式钢框架结构在内部爆炸荷载作用下的动力响应全过程进行了计算分析。分析中考虑了爆炸源的水平爆距和放置高度对框架结构动力响应的影响。研究结果表明,当爆炸源的放置高度较低时,水平爆距对框架柱的动力响应影响较大,而对框架梁响应影响较小;当爆炸源的水平爆距一定时,框架梁的动力响应随着爆炸高度的提高而增大。通过计算结果的分析对比得到使框架结构发生最大响应的最不利爆炸位置。     

Rayleigh波作用下地下综合管廊动力响应三维数值分析

地下综合管廊由于埋深较浅,Rayleigh波能量对综合管廊的地震反应具有重要影响。建立非线性有限元三维动力数值模型,通过边界脉冲荷载生成Rayleigh波,研究Rayleigh波平行入射条件下综合管廊结构的加速度、位移和内力等响应特性,然后分别研究管廊断面尺寸、覆土厚度、Rayleigh波入射角和土体本构等因素对管廊结构动力响应特征的影响。研究结果表明:Rayleigh波平行入射作用下,综合管廊结构顶板受力表现为时而受拉以及时而受压,Rayleigh波传递过程对管廊结构受力产生不利影响;当Rayleigh波入射方向与管廊结构轴向夹角越接近90°,引起的动力响应相对越大;土体采用摩尔-库伦模型(MC模型)时,由于不能考虑材料滞回环属性对能量的耗散,相对于小应变硬化模型(HSS模型)模拟出的管廊结构内力和位移响应要大;管廊埋深越浅,结构位移响应幅值和内力响应幅度变化越大;不同截面管廊结构的纵向位移差别不大,竖向位移则随截面增大而减小,表明随着截面刚度的提高,抗变形能力增强;管廊结构内力峰值变化量随截面增大而减小,单仓结构在Rayleigh波作用下的内力响应最为显著。     

底框上部砌体结构抗爆性能研究

在GSA标准分析法基础上提出两阶段分析法,采用ANSYS/LS-DYNA建立了一个7层底框砌体结构的三维有限元模型,对爆炸荷载作用下底框砌体结构连续倒塌过程进行模拟。根据爆炸荷载引起的结构局部性破坏,对局部采取适当的防爆抗爆措施防止结构的连续倒塌。通过改变砌体材料的强度等级、纵向配筋率、粘贴玻璃纤维复合材料、粘贴钢板、柱网尺寸、墙体开洞以及底框层数,得到底框砌体结构在爆炸荷载作用下的响应规律和破坏情况以及结构墙体中砌体材料、钢筋的应力和位移随时间的变化规律,为底框砌体结构的防爆设计提供理论基础和有价值的参考数据。     

爆炸荷载下桩基竖向动承载力研究

针对地面抗爆工程建设中桩基设计问题,采用动三轴试验、动力有限元方法等手段,开展了爆炸作用下地基土的动力特性及桩基抗爆承载力研究,结果表明桩基竖向极限抗爆承载力为其竖向极限静承载力2倍以上,高于按照现行桩基规范得到的1.25 ～1.5倍范围值,表明将常规抗震设计的办法直接用于抗爆炸冲击荷载的桩基设计时偏保守.     

低周反复荷载下Q460钢材框架柱抗震性能分析

为了进一步完善Q460钢材在抗震设计规范中相关限值的要求,本文利用有限元软件ABAQUS,以轴压比、翼缘宽厚比、腹板高厚比和壁板宽厚比为变量,建立了共48根“工”字型框架柱和“箱”型框架柱,分析了其抗震性能。结果表明:翼缘宽厚比对框架柱的能量耗散系数影响较小;能量耗散系数随轴压比、腹板高厚比（“工”字型）和壁板宽厚比（“箱”型）增大而明显减小;框架柱的极限承载力随轴压比的减小及壁板宽厚比和翼缘宽厚比的增大而逐渐增大,当腹板高厚比接近规范限值时,承载力下降趋势明显增大。与采用Q235钢材的框架柱相比,Q460钢材框架柱的延性较小,仅为2左右;当采用Q460钢材时,“工”字型框架柱的极限位移角限值建议取为0.03,“箱”型框架柱的极限位移角限值建议取为0.032。规范中对翼缘宽厚比限值的规定偏于保守,其值最大可取至9。无论是“工”字型框架柱还是“箱”型框架柱,其腹板高厚比均不宜过大。Q460钢材框架柱的刚度退化率随轴压比的增大而增强,且翼缘宽厚比越大,腹板高厚比越小,柱的初始刚度越大,刚度退化程度越明显。     

高强钢筋增强UHPC-NC组合柱抗震性能研究

为探讨高强钢筋增强UHPC-NC组合柱抗震性能,基于大型有限元程序ABAQUS,结合UHPC、NC和高强钢筋材料本构关系,校准损伤塑性模型中相关参数,建立高强钢筋增强UHPC-NC组合柱抗震有限元模型。通过与3个NC柱和3个UHPC柱拟静力试验结果对比,验证分析模型的有效性。在此基础上,进一步探讨轴压比、纵筋直径、纵筋强度、箍筋间距和UHPC高度等敏感参数对高强钢筋增强UHPC-NC组合柱抗震性能的影响。结果表明,高强钢筋增强UHPC-NC组合柱位移延性系数随轴压比、纵筋直径和箍筋间距的增大而降低,随纵筋强度和UHPC高度的增加表现出先增大后逐渐平缓的趋势,合适的UHPC替换高度能充分发挥高强钢筋和UHPC材料特性并取得良好的经济性。     

钢桁架(ST)约束混凝土组合柱抗震性能研究

目前,组合柱在建筑结构中进行了广泛应用和研究,研究表明:截面形式对组合柱的抗震性能有很大影响。首先,对钢桁架(ST)约束混凝土组合柱进行了试验研究。并在此基础上,利用有限元软件ABAQUS建立了数值分析模型;其次,基于数值分析模型,分析了组合柱中各部件的应力应变状态,分别考察了轴压比、缀板排列方式、体积配箍率、角钢肢宽与肢厚等因素对柱抗震性能的影响;最后,给出了组合柱在不同抗震等级下轴压比限值的建议值,可为后续组合柱的研究提供参考。研究表明:随着轴压比的增大,组合柱的延性变差,承载力先增大后减小;合理的缀板排列方式可有效抑制角钢的局部屈曲;随着体积配箍率的增大,组合柱的承载力有一定提升,延性提高较为显著;随着角钢肢宽和肢厚的增加,组合柱的承载力和延性均有显著提升。     

Fiber-based hysteretic model for simulating strength and stiffness deterioration of steel hollow structural section columns under cyclic loading

An efficient component model has been developed that captures strength and stiffness deterioration of steel hollow structural section (HSS) columns. The proposed model consists of two fiber-based segments at a member's ends along with an elastic segment in between. The fibers exhibit nonlinear uniaxial stress–strain behavior, which is explicitly defined by uniaxial monotonic tensile and cyclic round coupon tests. The postbuckling behavior of an HSS column is traced through a proposed uniaxial effective stress–strain constitutive formulation, which includes a softening branch in compression and an energy-based deterioration rule to trace the influence of cyclic deterioration in the inelastic cyclic straining. These may be inferred by uniaxial stub-column tests. The component model captures the coupling between the column axial force and flexural demands. Consistent model parameters for a number of steel materials used in the steel construction in North America and Japan are proposed along with the associated model calibration process. The efficiency of the proposed model in predicting the hysteretic behavior of HSS columns is demonstrated by comparisons with physical steel column tests subjected to various loading histories, including representative ones of ratcheting prior to earthquake-induced collapse. The proposed model is implemented in an open-source finite element software for nonlinear response history analysis of frame structures. The effectiveness of the proposed model in simulating dynamic instability of steel frame buildings is demonstrated through nonlinear response simulations of a four-story steel frame building, which was tested at full-scale through collapse. Limitations as well as suggestions for future work are discussed.     

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。     

埋深对地铁车站地震反应的影响分析

关于埋深对地下结构地震反应的影响的研究对象多见于地下隧道,对地铁车站地震反应受埋深影响变化规律缺乏深入研究。本文基于ANSYS有限元软件,采用改进的简化方法建立三种不同埋深的地铁车站结构有限元模型,以两种基岩波的水平向和竖向地震动作为激励,求解各模型中地铁车站结构重要部位的地震反应。分析不同埋深时地铁车站结构惯性作用、侧面土体和上部土体三个因素对地铁车站地震反应的影响情况。分析结果表明:在双向地震作用下,地铁车站侧壁弯矩、剪力、轴力和中柱轴力随埋深的增加而增加,中柱剪力和弯矩随埋深增加而减少。埋深越深,侧面土体对地铁车站地震反应影响越大;上部土体使中柱轴力不断增加;结构自身的惯性作用对其地震反应的贡献逐渐减小。     

柔性承台下群桩及刚性桩筏基础的竖向振动分析

基于简化的群桩动力计算模型,采用有限元子结构方法和薄层法,提出了与工程实际情况更为接近的完全埋入、部分埋入群桩和刚性桩筏基础的计算方法。分析了层状地基中不同激振频率条件下,承台板厚度、桩间距对于群桩动力阻抗的影响,研究了不同承台板厚度条件下群桩阻抗的分布规律。通过与传统刚性承台下群桩动力特性的比较分析,验证了本模型的合理性。     

Stochastically simulated blast-induced ground motion effects on nonlinear response of an industrial masonry chimney

This paper presents the dynamic response analysis of industrial masonry chimney subjected to artificially generated surface blast induced ground shock by using a three-dimensional finite element model. The effects of surface blast-induced ground shocks on nearby structures depend on the distance between the explosion centre and the structure, and charge weight. Blast-induced ground motions can be represented by power spectral density function and applied to each support point of the 3D finite element model of the industrial masonry system. In this study, a parametric study is mainly conducted to estimate the effect of the blast-induced ground motions on the nonlinear response of a chimney type masonry structure. Therefore, the analysis was carried out for different values of the charge weights and distances from the charge center. The initial crack and propagation of the crack pattern at the base of the chimney were evaluated. Moreover, the maximum stresses and displacements through the height of the chimney were investigated. The results of the study underline that blast-induced ground motions effects should be considered to perform the non-linear dynamic analysis of masonry type chimney structures more accurately.