冲击荷载作用下钢框架动力响应及损伤倒塌研究

冲击荷载作用下,多层钢框架的动力响应是一个复杂的非线性过程。运用ABAQUS/CAE建立两层两跨钢框架三维有限元模型,对冲击荷载作用下钢框架的动力响应和损伤倒塌进行研究。采取多点积分算法,控制沙漏,确保结果可靠。以冲击块分别碰撞钢框架的边柱及中柱,研究了冲击速度、冲击质量、柱顶轴压力等参数对钢框架在冲击作用下的动力响应的影响,对框架在冲击后的损伤及倒塌进行了分析。结果表明:冲击速度、冲击质量、柱顶轴压力的增加都会加剧钢框架的动力响应;相同冲击动能下,冲击边柱产生的水平位移较大;冲击后,钢框架的变形主要表现为翼缘的扭转和腹板屈曲,以及冲击接触面"刺入式"凹陷变形;根据冲击过程中梁转角的大小将钢框架倒塌发展分为三个阶段:弹性阶段、塑性和悬链线阶段、悬锁机构阶段,钢框架最终由于梁转角过大和柱失效而倒塌。     

型钢混凝土框架侧向撞击下的响应分析

采用数值模拟手段,从撞击力、撞击位移、塑性变形、能量状态角度,分析了撞击位置、撞击速度对型钢混凝土框架动力性能的影响。结果发现:撞击位置、撞击速度对撞击力影响明显;不同撞击位置下框架的塑性变形存在差异,且塑性变形随着撞击速度的增大而加剧;受撞位置是塑性耗能的主要位置,节点位置的塑性耗能水平与撞击速度的变化关系不大。     

水平冲击荷载作用下钢筋混凝土柱外在因素位移响应分析

钢筋混凝土柱是结构中重要的受力构件,因此有必要研究RC柱在冲击荷载作用下的位移响应。为在水平冲击荷载作用下正确认识RC柱的性能和表现,同时为RC柱抗冲击设计的改进提供参考。使用有限元软件ANSYS/LS-DYNA建立RC柱模型,并分析探讨了四种外在因素(冲击作用位置、冲击接触面积、冲击质量、冲击速度)对水平冲击荷载作用下RC柱的位移响应的影响,结果表明,受到水平冲击荷载作用时RC柱的位移响应会随着冲击速度和冲击质量的降低而减少,而冲击面积则对其作用效果不明显。     

冲击作用下型钢混凝土柱动力响应分析

为研究型钢混凝土柱在冲击作用下的动力响应,基于有限元软件LS-DYNA建立了型钢混凝土柱的数值模型,对型钢混凝土柱的损伤演化过程进行研究,针对冲击位置的时程曲线分析其动力响应,并通过参数分析研究了柱身动力响应对不同参数的敏感性。研究结果表明,在冲击作用下型钢混凝土柱的破坏模式为局部剪切型;混凝土的塑性破坏主要发生在冲击位置斜向下45°至柱底;由于冲击体在撞击过程中发生回弹,型钢混凝土柱在整个撞击过程可分为受迫振动阶段和自由振动阶段。     

冲击作用下带肋焊接工字钢梁动力响应和损伤研究

为研究冲击作用下焊接工字钢梁的动力响应和损伤，采用有限元软件Abaqus对不带肋和带肋三种构造形式的焊接工字钢梁在冲击荷载作用下的动力响应进行了数值模拟分析。通过与落锤试验结果对比，验证有限元模型的合理性。建立27个模型对冲击荷载作用下焊接工字钢梁的动力响应和损伤进行研究，分析了冲击质量、冲击速度、构造形式对焊接工字钢梁动力响应的影响，并分析其加速度响应和损伤程度。研究结果表明：随冲击速度增加，同一构造形式的钢梁其冲击力峰值和跨中残余位移增大；冲击质量对钢梁的峰值冲击力影响不大，但对其跨中位移影响明显；对于不同带肋间距的钢梁，其侧向位移和跨中残余位移随加劲肋间距的减小而明显减小；带肋钢梁的侧向位移比无肋钢梁小；带肋钢梁比无肋钢梁更有利于减小其跨中加速度，从而减小惯性力；基于最大位移评估指标建立以冲击质量、冲击速度为主控影响参数的损伤等级评估曲线，根据冲击质量、速度的组合点所在损伤等级评估曲线的位置，可快速判定冲击后焊接工字钢梁的损伤等级。     

框架结构在撞击荷载作用下的动力响应分析

以某工程局部9层框架为研究对象,利用有限元软件LS-DYNA模拟汽车撞击钢管混凝土柱-钢梁混合框架、钢筋混凝土框架以及钢框架三种框架结构的过程,获得了三种框架结构钢材应力云图、混凝土损伤云图、撞击力时程曲线及结构变形等动力响应。分析了三种框架结构在撞击荷载作用下的破坏模式,分析结果表明:受到撞击荷载作用后,钢管混凝土柱-钢梁混合框架的动力响应具有局部性,而钢筋混凝土框架整体遭到严重破坏,结构发生连续性倒塌;钢管混凝土柱-钢梁混合框架的抗撞击性能远优于钢筋混凝土框架。并根据研究结果,提出框架结构的变形限值条件以及撞击力代表值的计算公式,用以评价、比较框架结构的抗撞击性能,给出了在实际工程中提高框架结构抗撞击性能的设计建议。     

土结相互作用对质量不规则钢框架抗地震倒塌性能的影响

对4种钢结构体系进行振动台实时动态子结构试验研究,包括规则钢框架(R-SMRF)、不规则钢框架(Ir-SMRF)、 土结规则钢框架(R-SMRF-SSI)和土结不规则钢框架(Ir-SMRF-SSI)。研究发现,附加的设备质量和地基土会对低层钢框架结构抗地震倒塌性能产生影响,结构的倒塌模式为侧移性倒塌。在小震作用下,设备鞭梢效应导致结构顶层的加速度响应增大;在中震作用下,结构中损伤发展,因此设备质量甚至会降低结构的加速度响应;相比之下,地基土增大的自振周期总是降低结构的加速度响应。随着震级增加,结构的位移响应增强,结构的损伤和残余变形增大,最终大震结构发生底层侧移性倒塌。地基土减小上部结构的位移响应,具有减震作用;而设备质量增大结构的位移反应,对结构抗地震倒塌不利。     

侧向冲击作用下钢管混凝土柱动力响应 试验研究及计算方法

为了揭示钢管混凝土柱在侧向冲击荷载作用下的破坏机理,完成了7个钢管混凝土柱和1个部分填充钢管混凝土柱以及1个空钢管柱的水平横向冲击试验,考虑了冲击速度、冲击质量、冲击能量以及柱端约束等关键因素对钢管混凝土柱侧向冲击动力响应的影响。结果表明：与空钢管柱比较,钢管混凝土柱和部分填充钢管混凝土柱在侧向冲击荷载下的抗冲击承载力、抗变形能力提高显著;一端固支一端简支的钢管混凝土柱易发生受剪破坏,而悬臂柱则发生根部弯曲破坏;钢管混凝土柱的冲击力和残余位移均随着冲击速度、冲击能量的增大而显著增大。结合现行钢管混凝土结构设计规范,通过引入动力放大系数R和能量吸收比k提出了钢管混凝土结构柱抗冲击承载力计算方法,并明确了系数R与k的取值方法。     

横向撞击荷载作用下压弯H型钢柱的破坏模式和动态响应

钢结构受碰撞冲击的过程是一个复杂的非线性过程。采用Abaqus/Standard模拟H型钢压弯柱的平衡状态,再以此为初始状态在Abaqus/Explicit模块中执行横向撞击的数值模拟,通过考察系统能量转化关系和沙漏能占比验证有限元模型的合理性,研究了压弯柱受横向撞击的破坏模式并进行了动态响应的参数分析。结果表明:压弯H型钢柱受横向撞击的破坏是翼缘局部失稳引起的整体失稳破坏,是否破坏主要取决于撞击动能;撞击动能、撞击质量、撞击速度、撞击位置距固端约束的距离和轴压力的增加都会加剧H型钢柱的动态响应;存在减弱压弯柱动态响应的轴压力-弯矩荷载组合,但随着叠加弯矩值的增大,柱的变形开始加剧直至失稳破坏。     

冲击荷载下圆孔蜂窝梁动力响应及孔间腹板屈曲研究

为了研究圆孔蜂窝梁在非常规荷载作用下的动力响应，对9根圆孔蜂窝梁进行落锤冲击试验，探究冲击速度、冲击质量、孔间距、孔高等4个参数对其动力响应和孔间腹板屈曲的影响。试验过程中采集锤头冲击力、梁的位移和加速度以及圆孔周围的应变，并通过高速摄像机拍摄冲击过程。试验结果表明：冲击持续时间随着冲击速度和质量的增加而增加；梁的位移响应受与冲击区域的距离、冲击能量、孔间距和孔高的影响；梁的平均能量吸收率为57.63%,并随着孔间距的增大而减小，随着孔高的增大而增加；加速度沿梁跨中到支座呈“两折线”衰减；冲击作用位置处圆孔的投影面积减小率与冲击能量表现为近似指数增长的趋势；随着冲击能量的增大，跨中孔间腹板发生侧向凸曲的程度加剧；随着孔间距的减小和孔高的增加，非跨中孔间腹板的屈曲程度加剧。     

钢-混凝土混合框架抗撞击设计研究

利用有限元分析软件LS-DYNA模拟汽车撞击钢管混凝土柱-钢梁混合框架的过程。研究不同撞击高度和角度、不同撞击能量以及不同强度等级钢材和混凝土对于钢-混凝土混合框架在撞击荷载作用下动力响应的影响。采用直接加载撞击荷载分析、评价钢-混凝土混合框架结构抗撞击性能,提出了加强混合框架结构抗撞击设计的措施。根据有限元分析结果,总结出在实际工程中提高钢-混凝土混合框架抗撞击性能的设计建议。     

钢筋混凝土柱在爆炸荷载作用下的动态响应分析

钢筋混凝土柱在冲击爆炸荷载作用下的破坏可能会导致结构连续性倒塌。本文对爆炸荷载下钢筋混凝土柱的动力响应进行了数值模拟。在建立三维实体钢筋混凝土柱模型时,对混凝土材料采用了脆性损伤模型,分析了柱在不同折合距离时的侧向位移和失效情况,可以看出,侧向位移随着折合距离的增大而逐渐减小。当折合距离大于2.5时,爆炸冲击荷载对柱的影响很小。研究结果对钢筋混凝土柱的设计与防护具有一定的参考价值。     

冲击荷载作用下带下部钢管柱单层球面网壳结构动力响应分析

为研究带下部钢管柱的单层球面网壳在冲击荷载下的动力响应,在ANSYS/LS DYNA中建立70 m跨度带下部钢管柱的K8型单层球面网壳与正方体冲击物的数值模型并进行数值分析。根据结构动力响应和最终变形,总结了结构在冲击荷载作用下的4种响应模式,并分析了各响应模式下的动力响应（冲击力、节点速度、节点位移、杆件应力）特点。通过改变冲击点位置以及下部柱高度等参数,分析这些参数对带下部钢管柱的单层球面网壳结构响应模式的影响,揭示了结构响应随各参数的分布规律。研究结果表明:水平侧向冲击作用下结构的冲击力主要为等腰三角形脉冲荷载;冲击柱顶点时,上部结构有杆件失效,结构的节点水平位移和杆件应力最大;冲击柱高度较低时,冲击力峰值较小,节点最大水平位移和杆件最大应力较大。     

考虑楼板作用的钢框架抗连续倒塌动力分析

为研究考虑楼板作用的钢框架抗连续倒塌动力性能,运用结构动力学原理对简化力学模型进行理论分析,研究支撑柱失效时间与结构动力响应的关系,基于SAP 2000平台对考虑和不考虑组合楼板的钢框架有限元模型进行弹塑性动力反应分析,研究柱不同失效时间对失效点位移、振动频率等方面的影响。通过提出组合楼板薄膜效应对结构抗力提高系数ψ,量化组合楼板在连续倒塌过程中所起作用。结果表明:剩余结构动力响应随着柱不同的失效时间而变化,当失效时间为竖向自振周期的10%时,动力效应最大;组合楼板的存在能大大降低结构的最大动力响应,明显减小失效点位移,通过拉力薄膜效应可提高结构抗力至原来的1.6倍左右。     

横向冲击作用下预加荷载钢框架的动力响应分析

钢框架在冲击荷载作用下的冲击响应及损伤破坏是一个复杂的非线性过程。采用Johnson-Cook强度模型考虑钢材在冲击荷载下的动态力学行为,采取Johnson-Cook断裂准则作为冲击荷载下钢材损伤开始准则,并考虑钢材损伤演化。利用ABAQUS建立横向冲击下钢框架的三维模型,通过能量转换关系和沙漏能控制确保数值模拟方案的精确性与合理性。通过改变冲击动能、冲击位置和轴压力等参数,得到这些参数对横向冲击作用下预加荷载钢框架的冲击响应模式的影响,揭示冲击响应随参数变化规律。结果表明:在横向冲击荷载作用下预加荷载钢框架有3种冲击响应模式;冲击动能、冲击位置和轴压力的增加,会加剧框架的冲击响应;冲击动能是影响横向冲击作用下钢框架冲击响应的主要因素,钢框架在横向冲击作用下发生整体倒塌时存在临界冲击动能;整个横向冲击过程,损伤发生的区域主要在冲击体与钢框架接触区域。     

下部支承柱受撞击荷载作用的单层球面网壳动力响应分析

车辆撞击荷载是工程中常见的冲击荷载,本文主要研究这种冲击荷载作用下带支承柱的单层球面网壳的动力响应.利用通用有限元软件ANSYS/LS-DYNA对40m跨度带下部支承柱的K6型单层球面网壳进行了分析,根据支承柱的变形以及上部网壳结构的竖向位移和塑性发展,得出了三种动力响应模式.通过改变冲击角和顶杆截面这两个参数,给出了结构动力响应随参数变化的分布规律.研究结果表明:顶杆截面的不断增大并不会对上部网壳结构产生明显的有利影响,合理截面顶杆的断裂可以部分阻断冲击荷载的传递,对防止球面网壳整体坍塌是有利的;冲击物以60°的冲击角撞击支承柱时对上部网壳结构影响比0°、30°、90°时大.     

近地端水平冲击作用下RC桥墩的动力响应试验研究

为了研究钢筋混凝土（RC）桥墩在近地端水平冲击作用下的动力响应,采用水平撞击试验设备,对3根圆形截面RC桥墩进行了试验研究。本试验以撞击速度为研究变量,得到了桥墩的撞击力时程曲线、位移时程曲线、变形曲线和最终损伤状态。试验结果表明：桥墩在1.70 m/s、2.68 m/s和3.32 m/s三种撞击速度下呈现出轻微损伤、中等损伤和严重损伤三种破坏形态,桥墩的破坏模式为撞击部位与墩底之间的局部剪切破坏,撞击速度对桥墩冲击动力响应和破坏机制有显著影响。本试验可以为车辆撞击桥墩问题的有限元数值模拟提供数据支撑。     

侧向冲击荷载作用下圆钢管混凝土柱力学性能分析

为研究侧向冲击荷载作用下圆钢管混凝土柱的力学性能,运用大型有限元分析软件ABAQUS进行数值模拟。综合分析了冲击荷载作用下圆钢管混凝土柱的冲击力曲线和变形特征,同时考察了冲击速度、构件尺寸和钢管壁厚等参数对圆钢管混凝土柱力学性能的影响。研究结果表明:随着冲击速度的增加,构件的冲击力峰值和最大变形都有所增加;当构件尺寸一定时,增大钢管壁厚,能够减小构件跨中的变形;随着冲击速度的增加,减小的比率逐渐增大;当构件的钢管壁厚一定时,增大构件截面尺寸,也能够减小构件的变形,且随着冲击速度的增加,减小的比率逐渐降低。     

钢-混凝土组合框架抗震性能分析

为研究钢-混凝土组合框架在地震作用下动力性能及破坏形式,为钢-混凝土组合框架在地震区的使用提供依据,进行了1/3比例钢管混凝土柱-钢混凝土组合梁组合框架结构模型振动台试验研究。通过试验,得到不同地震烈度下组合框架结构的动力特性、位移响应、加速度响应。应用SAP2000软件对该结构进行不同烈度地震作用下的弹性时程分析和弹塑性时程分析,得到各水准地震作用下结构动力特性和位移反应,分析结构的地震损伤破坏过程及损伤分布情况。     

T形钢管混凝土柱-钢梁平面框架抗震性能非线性有限元分析

在已有试验结果的基础上,采用OpenSeeS有限元软件模拟了在低周往复荷载作用下T形钢管混凝土柱-钢梁平面框架的受力全过程,并通过对模拟结果的分析,来研究此类框架结构位移与骨架曲线的影响因素。结果表明:采用OpenSEES计算得到的滞回曲线与试验滞回曲线吻合较好;框架的水平极限承载力和弹性阶段刚度随柱截面含钢率、钢材强度、混凝土强度、柱翼缘宽度、柱腹板高度的增大而增大;框架荷载-位移骨架曲线的形状与混凝土强度、柱翼缘宽度、柱腹板高度有关;框架柱轴压比和梁柱线刚度比是影响框架骨架曲线的形状的重要因素,可以间接反映框架延性性能。