侧向冲击下圆钢管混凝土构件抗冲击性能的尺寸效应研究

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钢管混凝土构件是现代建筑、桥梁等结构中一种广泛应用的受力构件。随着结构跨越能力和建筑高度的提高,超大截面钢管混凝土构件获得了广泛应用。在结构的生命周期中,钢管混凝土构件很可能遭受横向冲击荷载的作用,如列车脱轨撞击站房结构柱、船舶撞击桥墩、汽车撞击建筑或桥梁结构等。直至目前,国内外关于钢管混凝土构件遭受横向冲击的试验研究均基于缩尺试验展开;由于试验条件所限,对超大截面钢管混凝土构件往往采用较大缩尺比例;同时,对于大多数遭受动力荷载从而引起塑性行为的试验(如落锤冲击试验),严格遵循几何相似准则十分困难。在这种条件下,对钢管混凝土构件遭受横向冲击下的尺寸效应研究具有重要意义。本文在试验基础上,利用量纲分析和数值模拟两种方法,对圆钢管混凝土构件遭受横向冲击下的尺寸效应进行了研究,主要研究内容如下:(1)总结了国内外已有的钢管混凝土冲击试验和相关的冲击试验系统,发现目前已有冲击试验系统规模有限,导致目前钢管混凝土构件冲击试验大多采用缩尺试验。通过量纲分析,确定了各个参数放缩比例关系,对横向冲击下钢管混凝土构件的冲击相似准则进行了分析研究。(2)利用LS-DYNA建立了钢管混凝土受横向冲击作用的数值模型,并与试验对比,验证了模型的精度和有效性。研究了钢管混凝土构件在横向冲击下的尺寸效应,对缩尺和足尺构件的挠度时程曲线、冲击力时程曲线、塑性极限弯矩,应力等进行了对比研究。结果表明:当构件未开裂时,尺寸效应较小,误差在10%以内。当构件发生开裂或断裂时,尺寸效应则较为显著,误差最大可以达到30%以上。分析了导致钢管混凝土构件在横向冲击下存在尺寸效应的原因。重力、材料动态强度以及材料断裂等都是不符合相似准则的因素,也是导致钢管混凝土冲击试验中尺寸效应的重要原因。(3)建立了圆钢管混凝土构件遭受横向冲击的相似模型,依靠数值模拟拓展样本,通过回归分析得到了圆钢管混凝土构件最大挠度和冲击力平台值计算模型。
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