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爆炸作用下钢管混凝土柱的动力响应和破坏模式的数值模拟分析

作　者: 杜欣新
导　师: 毛毳
学　校: 天津城建大学
专　业: 结构工程
关键词: 爆炸 钢管混凝土柱 动力响应 破坏模式 数值模拟
分类号: TU398.9
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
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内容摘要


近年来,世界上恐怖爆炸袭击和意外爆炸事件时有发生,给社会和人民造成了不可估量的经济损失。如何有效地提高建筑结构在爆炸冲击作用下的安全性能已经是全世界各国研究者积极探讨和摸索的一个重大课题领域。我国作为新兴经济体，随着土木工程建设的开展，各类大型重要建筑和民用建筑都迫切需要提高抗爆性能。钢管混凝土构件具有承载力高、韧性好、制作和施工方便等优点，在现代工程中已广泛应用，研究钢管混凝土结构构件的抗爆性能对保证结构的抗爆安全具有十分重要的现实意义。本文对钢管混凝土结构柱在爆炸冲击荷载作用下的动力响应特性和破坏模式进行了系统研究，主要工作包括以下几个方面：（1）运用ANSYS/LS-DYNA分析软件，建立了包含空气、炸药、钢管混凝土柱的耦合体系模型，分析了炸药和空气网格尺寸对爆炸冲击波计算精度的影响，在平衡计算精度和计算资源的情况下，提出了较优的建模形式。在此基础上，通过参数化分析，研究了爆炸冲击作用下钢管混凝土柱的动力响应随炸药高低位置、柱截面形状、柱头约束形式、钢材性质、长细比、钢管壁厚、轴压力几种不同因素的变化。通过研究发现，增加钢管材料屈服强度、减小柱子长细比、增加钢管壁厚均可以增大柱子在不同炸药高度、柱头约束形式和截面形状的情况下的最大横向位移；在相同条件下，圆钢管混凝土柱的抗爆性能优于方钢管混凝土柱，可更有效地削弱爆炸冲击波对柱子的作用。（2）对参数化分析所用的不同柱截面、柱头约束形式、炸药高度的8个基本模型进行了破坏模式的分析。结果表明，不同柱头约束形式和炸药高度对钢管混凝土柱的破坏过程和形态的影响有所不同，方形柱距离爆源最近处钢管破坏，圆形柱钢管无破坏。核心混凝土均严重破坏，但前者破坏面积小于后者。圆形柱综合抗爆性能由于方形柱。

全文目录


摘要  6-7
ABSTRACT  7-10
第一章 绪论  10-13
  1.1 研究意义和背景  10-11
  1.2 国内外研究现状  11-12
  1.3 本文工作  12-13
第二章 爆炸冲击波和钢管混凝土理论  13-22
  2.1 爆炸空气冲击波  13-15
    2.1.1 爆炸相似率与超压峰值  14-15
  2.2 钢管混凝土理论  15-17
  2.3 爆炸冲击作用下材料的动力性能  17-18
    2.3.1 材料的应变率效应  17
    2.3.2 钢材的动力性能  17-18
    2.3.3 混凝土材料的动力性能  18
  2.4 构件抗爆的数值模拟技术  18-22
    2.4.1 Lagrange、Euler、ALE 算法概述  18-19
    2.4.2 流构耦合  19-20
    2.4.3 无反射边界条件  20
    2.4.4 时间步长  20-21
    2.4.5 钢管与混凝土之间的粘结  21
    2.4.6 材料的失效准则  21-22
第三章 有限元模型的建立  22-29
  3.1 计算单元的选取  22-23
  3.2 参数设置  23-25
    3.2.1 炸药  23
    3.2.2 空气  23
    3.2.3 钢材  23-24
    3.2.4 混凝土  24-25
  3.3 数值模拟验证  25-29
    3.3.1 试验介绍  25-26
    3.3.2 有限元模型的建立  26
    3.3.3 材料参数  26-28
    3.3.4 有限元结果与试验结果对比  28-29
第四章 爆炸作用下钢管混凝土柱的动力响应  29-48
  4.1 有限元计算模型  29-30
  4.2 材料参数  30-31
  4.3 参数的选取  31-32
  4.4 结果分析  32-48
    4.4.1 炸药与柱中同高  32-40
    4.4.2 炸药与柱下四分之一处同高  40-47
    4.4.3 圆形柱与方形柱抗爆性能对比  47-48
第五章 爆炸作用下钢管混凝土柱的破坏模式  48-58
  5.1 炸药与柱中同高  48-52
    5.1.1 圆形钢骨混凝土柱  48-50
    5.1.2 方形钢骨混凝土柱  50-52
  5.2 炸药与柱下四分之一处同高  52-56
    5.2.1 圆形钢骨混凝土柱  52-54
    5.2.2 方形钢骨混凝土柱  54-56
  5.3 破坏模式对比分析  56-58
    5.3.1 柱头约束形式对钢管混凝土柱破坏模式的影响  56-57
    5.3.2 柱截面形状对钢管混凝土柱破坏模式的影响  57-58
第六章 结论与展望  58-61
  6.1 结论  58-59
  6.2 展望  59-61
参考文献  61-64
附录  64-65
致谢  65-66

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