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侧向撞击作用下中空夹层钢管混凝土柱的动力性能及在汽车碰撞下的抗剪承载力

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摘要

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第一章 绪论

1.1 研究背景

1.1.1 中空钢管混凝土结构

1.1.2 中空钢管混凝土结构的应用

1.1.3 中空钢管混凝土结构的研究现状

1.2 结构受撞击的研究

1.2.1 结构受撞击的计算理论和研究方法

1.2.2 结构受撞击的研究现状

1.3 本文内容

第二章 两端固定中空夹层钢管混凝土试件侧向冲击试验研究

2.1 引言

2.2 试验概况

2.2.1 试验装置

2.2.2 试件设计

2.2.3 材料性能

2.2.4 试验流程

2.3 试验结果

2.3.1 直中空夹层钢管混凝土单冲击试件

2.3.2 锥中空夹层钢管混凝土单冲击试件

2.3.3 直中空夹层钢管混凝土轴力-冲击试件

2.3.4 锥中空夹层钢管混凝土轴力-冲击试件

2.3.5 试验结果小结

2.4 试验结果分析

2.4.1 冲击能量(E0)的影响

2.4.2 构件锥度的影响

2.4.3 轴向力的影响

2.5 本章小结

第三章 两端固定中空夹层钢管混凝土试件在冲击荷载下有限元计算模型

3.1 引言

3.2 材料模型

3.2.1 钢材

3.2.2 混凝土

3.3 有限元模型概述

3.3.1 单元选择、边界条件和接触处理

3.3.2 轴力-冲击耦合模型

3.4 有限元模型验证

3.4.1 直中空夹层钢管混凝土单冲击试件

3.4.2 锥中空夹层钢管混凝土单冲击试件

3.4.3 直中空夹层钢管混凝±轴力-冲击试件

3.4.4 锥中空夹层钢管混凝土轴力-冲击试件

3.5 有限元模型分析

3.5.1 动力响应全过程分析

3.5.2 空心率

3.6 本章小结

第四章 两端固定中空夹层钢管混凝土柱在汽车碰撞下的抗剪性能研究

4.1 引言

4.2 汽车碰撞下钢管混凝土柱的抗撞击性能

4.2.1 中空夹层钢管混凝土柱在汽车碰撞下的行为特性

4.2.2 汽车碰撞下破坏等级的划分

4.3 有限元模型

4.3.1 汽车的有限元模型

4.3.2 柱子尺寸的选取

4.3.3 结构布置、边界条件、材料属性与荷载

4.3.4 有限元模型结果及其冲击力分析

4.4 中空夹层钢管混凝土柱的抗剪性能研究

4.4.1 不同破坏点下中空夹层钢管混凝土柱的抗剪性能

4.4.2 中空夹层钢管混凝土柱的动态抗剪承载力

4.5 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文

攻读学位期间参与科研项目

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摘要

中空夹层钢管混凝土结构是在传统实心钢管混凝土结构基础上发展起来的一种新型钢-混凝土组合结构,除具有实心钢管混凝土结构承载力高、塑性和韧性好、耐火性强等特点外,还具有抗弯刚度大、截面开展、抗震性好、自重轻等特点,因而被广泛应用于地铁、桥梁、海洋平台以及高层和超高层建筑结构中。和横载、活载、地震等作用相同,在一些结构设计中还需要考虑冲击荷载的作用。如汽车、火车等交通工具对结构产生的碰撞作用,常常可能导致结构发生损伤甚至丧失承载力。本文以高层和超高层中底层中空夹层钢管混凝土柱为研究对象,开展了其在侧向撞击下的试验和理论研究,并利用理论分析进行了两端固定圆套圆中空夹层钢管混凝土柱在汽车碰撞下的抗剪性能和抗剪承载力研究,主要研究内容如下:
  (1)利用落锤冲击试验装置,开展了两端固定中空夹层钢管混凝土柱的侧向冲击试验,试验的研究参数包括冲击高度、轴向力和构件锥度,并进行了双中空钢管的对比冲击试验。试验中得到了构件的残余破坏模态、冲击力时程曲线和外钢管的表面应变等。试验结果表明,两端固定中空夹层钢管混凝土试件具有良好的抗冲击性能,一定的轴压力可提高其抗冲击性能。
  (2)利用有限元软件建立了两端固定中空夹层钢管混凝土试件在侧向冲击荷载下的有限元分析模型,计算考虑了材料的应变率效应。利用本文的冲击试验数据对此有限元分析模型进行了验证,进一步对试件进行全过程分析并分析了空心率对试件抗撞击性能的影响。
  (3)以高层和超高层中底层中空夹层钢管混凝土柱遭遇汽车碰撞的工况为背景,建立了轴压力作用下圆套圆中空夹层钢管混凝土柱在汽车碰撞下的有限元计算模型,并对中空夹层钢管混凝土柱在汽车碰撞下的抗剪性能和抗剪承载力进行了分析。结果表明,中空夹层钢管混凝土柱在汽车碰撞下的动态抗剪性能和动态抗剪承载力不同于其静态抗剪性能和静态抗剪承载力,其不仅与构件本身的材料属性、应变率和边界条件等因素相关,还与撞击车辆的重量和撞击速度等因素相关。
  (4)基于以上试验和理论分析结果,给出了两端固定圆套圆中空夹层钢管混凝土柱在汽车碰撞下的破坏准则。

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