钢管混凝土柱在爆炸载荷作用下破坏规律的数值模拟研究

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最近几年,恐怖袭击像毒瘤一样严重危害着国家的稳定和社会的安全,它给人民的生命财产和国际社会带来了无法挽回的精神和经济损失,一些重要的建筑物更是成为越来越多恐怖分子的袭击目标,而对于建筑物来说,立柱是非常重要的承重构件,是整个建筑的承载基础,一旦受到破坏,建筑的承载能力将受到显著的影响。所以,研究立柱在爆炸冲击荷载作用下的动力响应就已成为土木工程中的一个重要环节。在现在的结构工程中,相对于传统钢筋混凝土立柱,钢管混凝土柱凭借其自身具有韧性好、承载能力强,抗震性能优越,高强度,施工方便等诸多优点而被广泛的使用,虽然有很多学者对钢管混凝土柱做了不少研究,但研究的范围大都是集中在常规冲击荷载作用下或地震荷载作用下的动力响应,比较缺乏在爆炸荷载作用下的动力响应的研究。在当前公共安全日益得到广泛重视的形势下,深入研究钢管混凝土柱在受到爆炸载荷作用下的破坏效果具有更加显著的必要。  本文主要运用有限元软件ANSYS/LS-DYNA,对钢管混凝土柱在受到爆炸载荷作用下的破坏效果进行了数值模拟分析,同时分析了不同截面柱对爆炸冲击波传播的影响。本文主要对以下的几个方面进行了分析研究:  (1)本文选取了某钢管混凝土构件实爆试验,通过选取的实爆试验建立起钢管混凝土柱的三维数值模型,通过试验数据与得到的模拟结果进行对比验证,证明了其选用的钢材、混凝土、空气、炸药等材料参数与模型,有限元网格尺寸大小、流固耦合算法是正确的、可行性的。  (2)文章选取了实际工程中比较常用的三种截面钢管混凝土柱:圆形、正方形、矩形,并且分别在不同比例距离下进行了模拟,模拟结果表明在相同比例距离下,圆形钢管混凝土截面柱的最大挠度要小于其他两种截面柱,破坏程度最小;通过进一步观察分析在比例距离2.0下三种截面钢管混凝土柱仅产生了振动,材料本身并没有破坏,可以视为此种情况下柱子是安全的。  (3)在爆炸荷载作用下,得到了爆炸冲击波的传播云图,并且通过改变比例距离以及柱截面尺寸得到了其影响爆炸冲击波传播的规律。  (4)在爆炸荷载作用下,圆形截面钢管混凝土柱要优于其它两种截面钢管混凝土柱,因此在数值模拟中进一步分析了可能对钢管混凝土柱抗爆性产生影响的几种材料因素,例如:混凝土的强度等级,钢材的强度等级等。模拟结果表明,随着混凝土强度等级的提高,对柱子本身抗爆性能的增加是很有限的,钢材强度的提高可以使得柱子的变形明显的减小。  (5)利用爆炸后柱子的剩余承载力对柱的损伤程度进行分析计算,并通过几种工况来比较不同因素对钢管混凝土柱抵抗爆炸冲击能力影响的大小,进而绘制出压力—冲量曲线来分析钢管混凝土柱在爆炸荷载作用下的损伤程度的大小。  最后,总结了全文所做的工作,并对开展下一步的研究工作进行了展望。
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