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侧向冲击作用下圆钢管混凝土构件的数值模拟分析.pdf
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1、第 2 7卷 第 1期 2 0 1 0年 3月 建筑科 学与工程 学报 J o u r n a 1 O f Ar c h i t e c t u r e a n d C i v i l E n g i n e e r i n g Vo1 2 7 M a r NO 1 2 O1 O 文章编号 : 1 6 7 3 - 2 0 4 9 ( 2 0 1 0 ) 0 1 - 0 0 8 9 0 8 侧向冲击作用下圆钢管混凝土构件的 数值模 拟分 析 瞿 海雁 , 李 国强h 。 , 孙建运 , 陈素文 。 ( 1 同济大学 土木工程学院 , 上海 2 0 0 0 9 2 ; 2 3 同济大学 土木工程防
2、灾 国家重点实验室 , 上海 普 渡大学 工程学 院, 印第安纳 拉斐埃特I N 4 7 9 0 7 ; 2 O O 0 9 2 ; 4 新加坡凯斯防护科技集 团, 新加坡1 5 9 3 6 1 ) 摘 要 : 首 先利 用 L S DYN A 程 序 对一 圆钢 管混凝 土构件 落锤 冲击试验 进行 数值 模拟 ; 然后 对 1根 两 端 固支的钢 管混凝 土构件 在侧 向冲击 作 用下的动 力响应 进 行 分析 , 模 拟 过程 中混 凝 土 采 用能 较好 模 拟复 杂试验 结 果 的 C ONC R E TE D AMA GE RE L 3 模 型 , 钢 管采 用 随动硬 化 模 型
3、 , 同时通 过共 用节点 方法模 拟钢 管和 混凝 土之 间的相 互作 用 , 通过 面 面接 触 方式 模 拟 冲 击体 与 构件 之 间的接 触 作 用 ; 最后 对 两端 固支 的钢 管混凝 土构件 在 不 同条 件 下的动 力响 应进 行 比较和 分析 , 得到 了冲击体 动能、 冲量对构件变形、 支座和跨中内力的影响。结果表明: 试验结果与数值模拟结果符合较好 , 采 用该数值 模拟 方法 可 以很 好地 模拟 圆钢 管混 凝 土构件在 侧 向冲 击荷 载作 用下 的动 力响应 。 关键 词 : 圆钢 管混凝 土 ; 侧 向 冲击作 用 ; 动 力响 应 ; 数 值模 拟 ; L
4、S D YNA 程序 中图分 类 号 : TU3 7 5 文 献标 志码 : A Nu me r i c a l S i mu l a t i o n Ana l y s i s o f Ci r c u l a r Co nc r e t e 。 f i l l e d S t e e l Tu b e S p e c i me n Und e r La t e r a l I mpa c t QU Ha i y a n ,LI Gu o q i a n g 。 ,S UN J i a n y u n ,CHEN Su we n 。 ( 1 _S c h o o l o f Ci v i l
5、 E n g i n e e r i n g,To n g J i Un i v e r s i t y,S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2,Ch i n a ;2 S c h o o l o f En g i n e e r i n g,Pu r d u e Uni ve r s i t y,W e s t La f a y e t t e I N47 90 7,I nd i a n a,USA ;3 St a t e Ke y Lab or a t or y f or Di s as t e r Re du c t i on i n Ci v i l En g i n
6、e e r i n g ,To n g j i Un i v e r s i t y,S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2 ,C h i n a ;4 K&C Pr o t e c t i v e Te c h nol o gi e s Pt e Lt d,Si ng ap or e 1 59 361,Si ng ap or e ) Ab s t r a c t :Fi r s t l y,t h e n ume r i c a l s i mul a t i on o f a c i r c ul a r c o nc r e t e f i l l e d s t e e
7、 l t ub e s pe c i me n un de r d r o p i m p a c t wa s c a r r i e d o ut b y us i ng LS DYNA pr o gr a mThe n,t he dy n a m i c r e s po n s e of a f i xe d e nd c o nc r e t e f i l l e d s t e e l t ub e s pe c i m e n u nd e r l a t e r a l i m p a c t wa s a na l y z e d I n t he a n a l ys i
8、 s , t he ma t e r i a l mo de l , C0lNCRETE DAM AGE REL3, w h i c h c o ul d gi v e a r obu s t de s c r i p t i on of c o m p l e x c on c r e t e 1 a b or a t or y r e s po n s e,wa s c h os e n t o m a ke c o nc r e t e mo d e 1 St e e l wa s s i mul a t e d b y ki ne m a t i c a l ha r de n i n
9、 g mod e l a n d t h e i nf l u e n c e o f s t r a i n r a t e wa s a l s o t a ke n i nt o a c c ou nt f or bo t h c on c r e t e a nd s t e e 1 Commo n n o de wa s t a ke n t o s i m u l a t e t he i nt e r a c t i on o f t h e ou t e r s t e e I t ub e wi t h t he c or e c o nc r e t e a nd t he
10、 s u r f a c e t o s ur f a c e c o nt a c t m o d e l wa s us e d t o mod e l t h e c o nt a c t f u nc t i o n be t we e n i mpa c t b o dy an d t h e s pe c i me n Fi na l l y,t he d yn a mi c r e s po ns e of a f i xe d e n d c on c r e t e f i l l e d s t e e l t u be s pe c i me n wa s c o m p
11、 a r e d a n d a na l y z e d un de r di f f e r e nt c o nd i t i o n s The i n f l ue nc e of t he i m p ul s e a n d ki n e t i c e n e r gy o f t h e i m p a c t bo dy o n t he d e f o r ma t i on of t he s pe c i me n,t h e i nt e r n a l f o r c e s o f t h e e n d c r os s s e c t i o n。t he
12、mi d s p a n c r o s s s e c t i o n o f t h e s p e c i me n 收稿 日期 : 2 0 0 9 1 0 0 8 作者简 介: 瞿海雁( 1 9 7 7 一 ) , 男 , 湖南汨罗人 , 工学博士研 究生 , E ma i l : h a i y a n q u 2 0 0 8 y h a o o c o m c n 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 9 0 建 筑科 学与工程 学报 2 0 1 0 卑 we r e ob t a i n e d The r e s ul t s s h o w t
13、ha t t he t e s t r e s u l t s a gr e e we l l wi t h t he nu me r i c a l s i m u l a t i on r e s ul t s,a nd t he s i mul a t i o n me t ho d us e d i n t he pa pe r c a n s i m u l a t e t he d yn a mi c r e s po ns e of a c i r c u l a r c o n c r e t e f i l l e d s t e e l t u b e s p e c i
14、me n u n d e r l a t e r a l i mp a c t l o a d f u n c t i o n Ke y wo r d s : c i r c u l a r c o n c r e t e - f i l l e d s t e e l t u b e; l a t e r a l i mp a c t f u nc t i o n; d y n a mi c r e s p o n s e; n u me r i c - a l s i m u l a t i on;LS - DYNA pr o gr a m 0 引 言 钢管混 凝 土结构 可 以充 分发挥
15、 钢材 和混凝 土材 料的优点 ,使 结构 承载力 得到 提高, 延性得 到改 善 1 。相对 于钢筋 混凝 土 、 钢结 构而 言 , 钢管 混凝 土 结构具有承载力高、 良好的塑性、 韧性、 耐火性、 经济 性以及施工过程简便 等特点 , 从而被广泛应用于高 层建筑 、 工业 厂 房 和拱 桥 结构 中 。随着 钢 管混 凝 土 结构 的广泛 应用 , 对其 构件抗 冲击性 能 的研究 , 尤其 是抗 侧 向冲击性 能 的研 究 显 得愈 加 重 要 , 但 是关 于 这方 面 的研 究 目前 还 比较 少 , 大 部 分 的工 作 是 针对 混凝 土和钢 管 的 冲击 性 能 的研 究
16、。基 于此 , 笔者 在 他人 试 验 的基 础 上 , 利 用 通 用显 式 有 限元 程 序 L S D YNA对侧向低速冲击作用 下钢管混凝土构件 的 动力响应做 了一些分析, 从中得出一些有益的结论。 1 计算模型及参数 1 1 试 验描 述 笔者以文献 2 中所做的圆钢管混凝土构件落 锤试验为基础进行研究 , 试验装置见图 1 。数值分 析模 型选 取 的试 验 模 型 为 圆钢 管 混凝 土 构件 , 钢 管 直 径为 1 1 4 mm, 厚度 为3 5 mm, 总长 1 8 O 0 mm, 两 端 固支 , 每 端 约 束 长 度 为 3 0 0 mm; 落 锤 由 4 5号 锻
17、 钢 制成 , 质 量可 在 1 9 2 4 0 k g范 围内调 整 , 底 部 安 装 冲击 面为 3 0 mm 8 0 mm, 硬度 为 6 4 HR C 的 铬 1 5的楔形冲击头 。数值分析过程中, 冲击体模拟尺 寸为 3 0 mm8 0 mmx 8 0 mm, 通过调整冲击体材 料 密度来 有 效 模 拟 冲 击 体 质 量 。冲击 体 下 落 高 度 ( 距 离 钢管 混 凝 土高 度 ) 分 别 为 3 0 、 4 5 、 6 0 m; 钢 管采用 Q2 3 5 钢 材 , 混凝土 采用 C 5 0等级 混凝 土 , 落 锤 冲击 部位 位于构 件跨 中。图 2为圆钢 管混凝
18、土构 件侧向冲击。 1 2数值模 拟 过程 1 2 1 单元 类型和 边界 条件 本 文 中所 采 用 的数 值 分 析 软 件 是 L S - DY N A L 引。在数值模拟过程 中, 为 了简化计算 , 取构件 的 1 2对称结构进 行分析 。构件有 限元模 型见图 3 。 冲击体 、 钢管 、 混凝 土均采 用具 有较 高精度 和较 ( a ) 装 置简 图 ( b ) 现 场 图 1落 锤 试 验 装 置 Fi g 1 Dr o p Te s t Appa r a t u s 图 2 圆钢管混凝土构件侧 向冲击 Fi g 2 Ci r c u l a r Co n c r e t e
19、 - f i l l e d S t e e l Tub e Sp e c i m e n Und e r La t e r a l I m p a c t 3 0 0 1 2 0 0 3 0 0 ( b ) 冲 击体 横截 面 ( c ) 钢 管混 凝 土横 截面 图 3构 件有 限元模型 ( 单位 : ra m) F i g 3 F i n i t e El e me n t Mo d e l s o f S p e c i me n s( Un i t : mm) 好 收敛性 的六 面体 S o l i d 1 6 4实 体 单元 来 进 行模 拟 , 在 网格划 分过 程 中 , 网格
20、大 小不 超过 2 0 mm, 1 2构 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1期 瞿海雁 , 等 : 侧 向冲击作 用下圆钢 管混凝土构件的数值模拟分析 9 1 件模型共划分有单元 1 1 6 6 4个、 节点 1 3 6 2 2 个 。本 文 中通过 约束钢 管两 端约束 区域 的外 围节点 2 7 、 Y 、 方 向位移来 模拟 构 件 两端 固支 ; 忽 略钢 管 与 混凝 土 之 间的滑 移 , 钢 管与 混凝 土采用 完全 粘结 方式 , 同时 在 构件 和冲击 体对 称面上 采取 对称 约束 。 1 2 2 材料 模 型及 参 数设 置 L S D
21、 YNA 程序 中有 一系列 材 料 模 型可 用 来模 拟 混 凝 土 , 如 B R I T TL E D AMAGE( MAT一9 6 ) 、 J OHNS ON HOLM QUI S T CONCRETE ( MAT 一 1 l 1 ) 、 C S C M C 0 NC RE TE( MAT一 1 5 9 ) 4 3 等 。本 文 中采用 C O NC R E TE D AMAG E R E L 3( MAT 一 7 2 一 RE L 3 ) 来 模 拟混凝 土 材 料 , 该 材 料模 型 的一 个 重 要 特点就是具有一定 的参数 自动生成功能 , 大大减少 了参数要 求 和输入
22、, 只要 输入 很少 的参 数 ( 无侧 限抗 压 强度 和应变 率效 应 曲线 ) 。此外 , 研究 表 明该 材 料 模 型能够 较好 地模 拟混凝 土材 料在 高速 加载情 况 下 的性能 5 。 钢材 采用 基于 C o wp e r S y mo n d s 的 P L AS T I C KI NEM ATI C ( M AT 一0 0 3 ) 材 料模 型 , 该 材 料 模 型 可 以用来 模拟 钢梁 、 钢 柱 等 结 构 构件 在 高 速 加 载情 况 下 的响应 。用与应 变率 有关 的 因数 表示 屈服 应力 ,即 一 1 + ( 三) 古 ( + ) ( 1 ) ( 2
23、 ) 式 中 : 为初 始屈 服 应 力 ; 为 应 变率 ; c 、 P为 C o w p e r S y mo n d s 应 变 率 参 数 ; ; “为 有 效 塑 性 应 变 ; E 为塑性 硬化 模量 ; E为弹性 模量 ; E 为切线模 量 。 本文 中 f 一 5 0 1 1 0 ms 一 , P一4 , 其 他 材 料 参数 采用文 献 2 中试 验实 测 的材 性参 数 , 见表 1 。 表 1 圆钢 管 混 凝 土 冲 击 试 验 材 料 参 数 Ta b 1 I m p a c t Te s t M at e r i a l Pa r a m e t e r s o f
24、 Ci r c ul a r Con c r e t e - f i l l e d St e e l Tu b e 密度 弹性模量 屈 服强度 材 料 泊 松 比 ( 1 0 。k gm 0 ) 1 0 2 GPa M Pa 钢 材 7 8 5 0 2 0 6 2 4 l 0 3 冲 击 体 采 用 等效 密 度 , 可 调 2 0 6 2 4 l 0 3 混 凝 土 2 5 0 0 注 : 混凝 土立 方 体 抗 压 强 度 为 4 7 5 MP a , 轴 心 抗 压 强 度 为 32 4 M Pa 。 1 2 3 材料 的应 变率 效应 与标 准静加 载不 同 , 在 冲击 作用 下
25、, 材料 的应 变 率非 常高 , 混凝 土 和钢材 的屈服 强度 有 明显 的提高 。 在高 应变 率 下 , 钢 材 抗 拉 强 度 可 增 大 5 0 以上 , 混 凝土 抗压 强 度 可增 大 1 0 0 , 抗 拉 强 度 甚 至 可 增 大 6 0 0 以上 。因而要想得到比较可靠的模拟效果 , 混凝土和钢材的应变率效应不 可忽略 , 可用动力增 大系数( DI F ) 曲线来表征在动荷载作用下材料屈服 强度 的提 高 。 在一 些文 献 中不难 找到 基于试 验 得到 的钢材 和 混凝土 的应 变率效应 经验公 式, 如文献 7 、 9 、 E l O 等。 对 于钢材 的应 变
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- 侧向 冲击 作用 圆钢 混凝土 构件 数值 模拟 分析
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