冲击荷载作用下钢筋混凝土柱动力响应及粘钢加固分析

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钢筋混凝土柱作为重要的受力构件,其在冲击、爆炸等动力荷载作用下的表现值得人们进行深入研究。为了正确认识钢筋混凝土柱在侧向冲击荷载作用下的性能及表现,了解粘钢加固方法对钢筋混凝土柱动力特性及抗冲击性能的影响,以期对提高钢筋混凝土柱的抗冲击性能设计及防护加固给予一定的参考,本文利用ANSYS/LS-DYNA软件对钢筋混凝土柱及粘钢加固柱进行了仿真分析。主要研究内容如下:(1)根据《混凝土结构设计规范》[1]设计了钢筋混凝土柱有限元分析模型,研究了在侧向冲击荷载作用下冲击作用位置、柱高度、纵筋配筋率、混凝土强度、冲击接触面积、轴压比、冲击速度及冲击质量八种因素对钢筋混凝土柱的冲击力响应、位移响应的影响。分析结果显示:钢筋混凝土柱的冲击力响应及位移响应主要受到冲击能量、柱体自身刚度的影响,除此之外,冲击接触面积对冲击力峰值的影响也较为显著;柱体的位移响应中,侧向位移和竖向位移在受到上述因素影响时的表现较为一致,可以通过提高纵筋配筋率、一定范围内增加轴向压力、降低柱体受到的冲击能量的方式减弱RC柱在受到侧向冲击荷载作用时的位移响应。(2)在对粘钢加固方法进行分析时,在前述研究的钢筋混凝土柱算例的基础上设计了两种粘钢加固柱模型(分别为在柱体侧面全粘钢板的整体粘钢加固方式、仅柱体截面高度平面粘贴钢板的局部粘钢加固方式)。首先对上述两种加固柱的动力特性进行分析,并与未加固钢筋混凝土柱进行对比,对比结果显示:粘钢加固对钢筋混凝土柱的频率和振型产生了不同程度的影响:两种不同加固方式相比,整体粘钢加固方式对柱构件的频率影响更大,而局部粘钢加固方式对柱构件的各阶振型表现影响更大;(3)对采用整体加固方式加固的加固柱的动力特性进行了参数扩展分析,分析了粘钢厚度、柱高度、截面尺寸、支承形式对加固柱自振频率的影响。分析结果表明:在上述几种因素中,柱高的影响最为显著,随着柱高度的增加,构件的各阶自振频率不断减小并倾向集中分布的趋势,因此实际工程中柱高较大时应当考虑加固柱的高阶模态;构件的支承形式对加固柱自振频率有所影响,截面尺寸对加固柱的自振频率影响总体较小,而在所研究的粘钢厚度范围内,粘钢厚度对加固柱的自振频率影响并不明显。(4)对粘钢加固形式、粘钢厚度两种因素对钢筋混凝土柱抗冲击性能的影响进行分析。分析结果显示:在动力特性分析中所涉及的整体加固、局部加固两种粘钢加固方式均能够有效的抑制钢筋混凝土柱受到冲击荷载作用时的局部及整体侧向变形,减小在冲击作用中柱体所承担的应力,减轻柱体冲击后混凝土剥离破坏现象的发生。其中,对于柱体损伤程度的改善作用而言,采用整体粘钢加固的方式能有效的降低柱体的整体损伤程度、减小柱体的损伤范围;而局部粘钢加固方法则对柱体损伤程度及损伤范围的改善作用并不明显;在对粘钢厚度对钢筋混凝土柱抗冲击性能的影响研究中发现:当冲击荷载不变时,粘钢厚度对柱体的局部及整体侧向位移的抑制作用、柱体损伤改善作用均呈先增强后减弱的趋势。分析结果显示,粘钢加固是一种能够有效的改善钢筋混凝土柱柱体的损伤、抑制柱体侧向变形,从而提高钢筋混凝土柱抗冲击性能的加固方法,在进行抗冲击粘钢加固处理时,应当优先采用整体加固的方式。
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