钢管混凝土柱冲击动力响应的等效单自由度方法研究

作     者：宋家欢 

作者单位：西南交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘艳辉

授予年度：2017年

学科分类：08[工学] 081402[工学-结构工程] 081304[工学-建筑技术科学] 0813[工学-建筑学] 0814[工学-土木工程] 

主      题：钢管混凝土柱 冲击 轴压 等效单自由度 有限元分析 

摘      要：钢管混凝土结构凭借承载力高、抗震性能优越、施工简便等诸多优点在工程项目中得到广泛应用。作为承重构件的钢管混凝土柱如果遭受到横向冲击等偶然荷载作用,将会造成重大的人员伤亡和财产损失。本文先采用LS-DYNA有限元软件对轴压作用下的钢管混凝土柱的抗冲击性能展开研究,然后基于等效单自由度方法,计算钢管混凝土柱的冲击动力响应。研究内容如下:1.根据试验结果,验证了 LS-DYNA软件计算的可靠性。然后建立了两种不同钢管壁厚的构件有限元模型。计算结果发现,当冲击高度较小时,在一定的轴压比范围内,适当施加轴力能够提高钢管混凝土构件的抗冲击性能;当冲击高度较大时,即使在较小的轴压比范围内,轴力的存在也会急剧削弱钢管混凝土构件的抗冲击性能。2.从仿真结果可以看出,轴压作用下的钢管混凝土柱的冲击力时程曲线一般分为具有平台段和没有平台段两种形式,为了便于等效单自由度方法的计算,按照冲量相等的原则将实际复杂的冲击力时程曲线简化为矩形脉冲和三角形脉冲形式,在一定情况下得到的位移误差较小。3.推导了轴压作用下钢管混凝土柱受跨中冲击等效单自由度体系的运动微分方程,并给出了矩形脉冲和三角形脉冲荷载的位移响应通解。采用等效单自由度方法计算了各种仿真工况的位移响应,对比位移最大值发现,当冲击速度较小时,一般可以将冲击力时程简化成矩形脉冲荷载,此时得到的最大位移值与LS-DYNA的仿真结果误差较小;当冲击速度较大时,一般需要将冲击力时程简化成三角形脉冲荷载,此时计算结果的误差比矩形脉冲相对较大;在小轴压范围内,轴压比增大时,误差会减小;增加钢管厚度,结构产生的位移减小,误差也减小。