轴向冲击荷载作用下钢管混凝土短柱有限元分析.pdf
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1、3 0 四川建筑科学研究 S i c h ua n Bui l d i ng S c i e nc e 第 3 7卷第 4期 2 0 1 1 年 8月 轴向冲击荷载作用下钢管混凝土短柱有限元分析 张晨, 徐勋倩 ( 南通大学建筑工程学院, 江苏 南通2 2 6 0 1 9 ) 摘要: 利用 A N S Y S D Y N A进行了钢管混凝土短柱抗冲击性能有限元分析研究, 通过分析应力、 应变时程曲线, 获得对其抗动 力冲击性能的了解。构件受力时, 外围钢管的应力远远大于内部混凝土的应力; 试件应力、 应变时程曲线表现出典型弹塑性 材料的性质, 数值增加到最大值后递减, 最终形成残余应力、 应变
2、。结果表明, 钢管混凝土具有良好的抗冲击力学性能, 即具 有较高的强度和屈服后承载能力, 以及良好的塑性变形能力。 关键词: A N S Y S D Y N A; 钢管混凝土短柱; 抗冲击性能; 有限元分析 中图分类号 : T U 3 9 2 3 文献标识码 : A 文章编 号 : 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 1 ) 0 4 0 3 0一 o 4 Fi I l i t e e l e me n t a n a l y s i s o f c o n c r e t e fil l e d s t e e l t u b e s h o r t c o l u mn s u n
3、 d e r a x i a l i mp a c t l o a d Z HANG Ch e n XU Xu n q i a n ( N a n t o n g U n i v e r s i t y , N a n t o n g 2 2 6 0 1 9 , C h i n a ) A b s t r a c t : T h e i mp a c t b e h a v i o r o f c o n c r e t e fi l l e d s t e e l t u b e( C F S T )s h o a c o l u mn s w a s s t u d i e d b y u
4、 s i n g s o ft w a r e A N S Y S D Y N A The s t r e s s a n d s t r a i n t i me h i s t o r y c u r v e s o f t h e t e s t e d s p e c i me n s w e r e r e c o r d e d t o a n a l y z e t h e i mp a c t b e h a v i o r o f CF S T Whi l e t h e s p e c i me n s a r e i mp a c t e d, t h e s t r e
5、 s s o f t h e s t e e l t u be i s h i g h e r t h a n t h a t o f t h e c o n c r e t e ; t h e s p e c i me n s a r e t y p i c al e l a s t i c - p l a s t i c ma t e r i al a c c o rdi n g t o t h e s h a p e o f t h e s t r e s s o r s t r a i n t i me h i s t o ry c u rve s ; t h e v alu e o
6、f s t r e s s o r s t r a i n i n c r e a s e s t o ma x i mu m v alu e, t h e n i t d e c rea s e s t o r e s i d u al s t r e s s o r s t r a i n T h e r e s u l t s d e mo n s t r a t e t h a t t h e CF S T h a s a n e x c e H e n t i mp a c t - res i s t a n t b e h a v i o r ,i e rel a t i v e
7、l y h i g h e r s t r e n g t h a n d p o s t y i e l d i n g s t r e n gth,e x c e e n t p l a s t i c i t y Ke y wo r d s : ANS YS DY NA; c o n c r e t e fi l l e d s t e e l t u b e s h 0 r t c o l u mn ; i mp a c t - r e s i s t a n t be h a v i o r ; fi n i t e e l e me n t a n aly s i s 0 前言 1
8、 试验与有限元计算结果比较 钢管混凝土具有承载力高、 塑性和韧性好、 经济 效益优 良和施工方便等优点 , 作为主要 的承重构 件被广泛地应用于重 型、 大跨度结构 中。众多学者 已经对钢管混凝土结构的静力承载特 陛进行 了大量 的研究 , 但是, 对钢管混凝土结构在冲击荷载作 用下的承载性能研究进展非常缓慢, 仅有少数学者 对其进行了研究 。 。现代结构除了承受正常设 计荷载之外 , 还会承受撞击 、 地震和爆破等强动荷载 的作用, 因此, 研究钢管混凝土在动载作用下的力学 性能具有重要的现实意义。 收稿 日期 : 2 0 1 0 - 0 1 8 作者简介: 张晨( 1 9 8 1 一) ,
9、 男, 山西长治人, 讲师, 硕士, 主要从事 结构工程的研究。 基金项 目: 江苏省高校 自然科学基金 资助项 目( 1 O K J D 5 6 0 0 01 ) ; 南通 大学 自然 科 学 基 金 资 助 项 目 ( 0 7 z 0 7 0) ; 南 通 市 科 技 计 划 项 目 ( K 2 0 0 9 0 1 8) ; 南通 大学博 士科研 启动基金 ( 0 8 B 1 6 ) E m a i l : b e n r y O1 1 1 2 0 00 1 2 6 C O 冲击试验在太原理工大学力学所冲击实验室内 自 行研制的 D H R 9 4 0 1 落锤式冲击试验机 上完 成 。试
10、件设计管长 3 5 0 1T i m、 直径 1 1 4 n l m、 壁厚 3 5 mm 3 8 1 T i m, 钢材 Q 2 3 5 , 混凝土 C 5 0 , 每种壁厚各制 作试件 1 4根 。本次试验预先制作了3个落锤, 质 量 分别为5 0 5 0 k g , 6 2 7 5 k g 和 8 O 1 O k g , 3 个落锤可 分别或组合使用, 总质量已接近试验机限值。改变 落锤下落高度 , 对试件进行轴向冲击试验 , 得到冲击 力 、 变形等结果 。 A N S Y S L S D Y N A是全世界范围内最知名的有 限元显式求解程序, 可以模拟高速碰撞 , 如飞机、 汽 车、
11、 火车、 船舶碰撞事故引起的结构动力响应和破 坏。本文采用双线性等向强化模型( B I S O ) 和塑性 随动模型( P K I N ) 分别模拟混凝土和钢管两种材料 , 采用粘结处理钢材和混凝土之间接触面。通过模拟 试验过程 , 可以得到应力 、 应变等结果 , 如图 1 所示。 2 0 1 1 N o 4 张晨, 等: 轴向冲击荷载作用下钢管混凝土短柱有限元分析 3 l l l 图 1 钢管混凝土构件有限元模型 Fi g 1 F i I l i t e e l e me n t mo d e l o f CF S T 模拟值与试验值比较见表 1 及如图2 3 所示。 表 1 试 件轴 向
12、位 移模 拟值 与试验值 比较 Ta b l e 1 S i mu l a t i o n a n d t e s ti n g v a l u e c o n t r a s t o f t h e a x i a l d i s p l a c e me n t 图 2 试 件轴 向位移模拟值与试 验值对比 ( 3 5 m m壁厚 ) F i g 2 S i mu l a ti o n a n d t e s ti n g v a l u e c o n t r a s t ( 3 5 mm) 模拟计算结果在低速范围内与试验结果较为接 近, 说明有限元模拟计算方法可行。 2用 A N S
13、Y S软件进行拓展分析 2 1 应力分析 以试件 A一 4为例, 对落锤在 6 m高度冲击的 结果进行分析。 1 6 I 1 2 鑫 星s 霹 4 0 o 5 l o 1 5 2 0 冲击速度 ( m s ) 图3 试件轴向位移模拟值与试验值对比( 3 8 m m壁厚) F i g 3 S i mu l a t i o n a n d t est i n g v alu e c o n t r a s t ( 3 8 n l I n) 2 1 1 应 力云 图 1 ) 顶部横截面应力云图如图4所示。 U I , jE+ U , U 2, B十 U U 49 b十 U , j 4 t l y,
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