近场爆炸下波纹双钢板混凝土组合墙板的损伤破坏及抗爆性能

相对于传统的钢筋混凝土墙板和平面双钢板-混凝土组合墙板(profiled double-skin composite wall,PDSCW),波纹双钢板-混凝土组合墙板(concrete-infilled double steel corrugatedplate wall,CDSCW)具有更高的轴向抗压承载力、更大的侧向抗弯刚度以及良好的抗冲击和抗震性能,在船舶和军事领域有广阔的应用前景。制作2种CDSCW试件,通过近场爆炸试验对比分析了2种试件的损伤模式及动态响应;采用ANSYS/LS-DYNA软件建立了CDSCW和PDSCW的有限元模型,研究了近场爆炸下2种混凝土组合墙板的损伤机理和爆炸响应,并与试验结果进行对比分析;分析了混凝土厚度、钢板厚度、药量对CDSCW抗爆性能的影响。结果表明:近场爆炸作用下,相较于PDSCW,相同混凝土方量和尺寸(长、宽)的CDSCW具有更大的抗弯刚度、更强的抗变形能力以及更优的抗爆性能;增加波纹深度能有效提高CDSCW的抗爆性能,可为抗爆构件设计和相关工程研究提供参考。

栓钉型弧形双钢板混凝土组合板的抗爆性能试验与数值分析

弧形双钢板混凝土组合结构由钢板、混凝土与连接件协同作用,具有更优异的抗震和抗爆性能,被应用于超高层结构、海洋平台和核电设施中。利用试验和数值分析方法研究了栓钉型弧形双钢板混凝土组合结构的破坏模式和损伤机理,参数化分析了爆炸距离、钢板厚度、拱高和栓钉间距对其抗爆性能的影响。结果表明:在爆炸荷载下,栓钉型弧形双钢板混凝土组合板整体表现良好,仍具有较高的承载能力。增加爆炸距离和钢板厚度能有效减小混凝土的损伤和组合板的跨中挠度;减小拱高,混凝土损伤区域从以压缩破坏为主逐渐转换为以拉伸破坏为主,混凝土损伤更严重,组合板跨中挠度变大;减小栓钉间距会增大混凝土塑性损伤程度,但组合板的跨中挠度减小。研究结果可为弧形双钢板混凝土组合结构的设计提供参考。

焊接多腔双钢板-混凝土组合剪力墙抗震性能分析

大多数双钢板-混凝土组合剪力墙采用螺栓连接或焊接肋的方式使钢板和混凝土协同工作。然而,这种连接方式可能导致整体性和塑性变形效率较低,且制作复杂,焊接多腔双钢板-混凝土组合剪力墙能够有效地避免这些问题。为了深入研究焊接多腔双钢板-混凝土组合剪力墙的抗震性能,基于约束混凝土真三轴塑性-损伤本构模型和钢材弹塑性混合强化-韧性损伤本构模型,建立了组合剪力墙的精细化三维实体-壳模型,将模拟所得的滞回曲线、骨架曲线、刚度退化曲线、弹性刚度、承载力、累积耗能、等效阻尼粘滞系数和延性系数与已有拟静力试验结果相比较,发现两者吻合较好。分析结果表明:轴压比对组合剪力墙模型算例刚度和承载力的影响较小,而随剪跨比增大,组合剪力墙模型算例的刚度和承载力呈线性降低;轴压比对组合剪力墙模型算例总塑性耗能的影响较小,而剪跨比的影响较大,剪力墙总塑性耗能随剪跨比增大而降低;轴压比和剪跨比都不会改变算例各部件的耗能分配机制,即组合剪力墙模型算例以外钢板和内隔板耗能为主。

双钢板混凝土组合墙偏心受压性能试验研究

为了研究双钢板混凝土组合墙在偏心受压荷载下的结构性能,设计制作了5个试件,以偏心距离和墙板厚度作为研究参数,进行偏心受压试验.利用ABAQUS软件对试件进行有限元分析,并采用截面分析法计算试件在轴力与弯矩共同作用下的截面承载力.试验结果表明,试件最终出现钢板局部屈曲与混凝土受压破坏.根据试验荷载-位移曲线,计算得到试件延性系数为1.28~1.92.墙厚相同时,随着加载偏心距离的增加,承载力逐渐下降.偏心距离相同时,增加墙体厚度可以有效提高试件承载能力.偏心受压试件的截面应变分布满足平截面假定.承载力试验值与有限元模型计算值和理论计算值的最大误差分别为4%和9%.

火灾下双钢板-混凝土组合墙抗冲击机理分析与挠度预测

双钢板-混凝土组合墙(steel-concrete composite wall,SC wall)常用于核电站、超高层等重要结构的承重构件,其在偶然荷载作用下的力学性能也是其推广应用的关键指标。为此,针对火灾下SC墙的抗冲击性能进行研究并给出相关设计建议。首先建立了SC墙在火灾与冲击耦合作用下的有限元模型,在验证模型可靠性基础上,开展了火灾下SC墙抗冲击机理的分析;然后研究了轴力、受火时间、材料强度、冲击能量与抗剪连接件形式等参数对SC墙在火灾下抗冲击性能的影响规律;最后给出了该类构件在耦合工况下跨中峰值挠度的预测公式。结果表明:随着受火时间的增加,SC墙受冲击变形模式由局部冲切逐渐转变为整体弯曲破坏;火灾下,混凝土为SC墙受冲击的主要耗能部件;混凝土强度、轴力与抗剪连接件形式对SC墙在高温下的抗冲击性能影响显著,钢板强度的影响则较小;建议的公式可较合理地预测火灾下SC墙受冲击后的跨中峰值挠度。

接触爆炸作用下双波纹钢板混凝土组合板抗爆性能数值研究

相较于普通的双钢板混凝土组合板,双波纹钢板混凝土组合板具有更大的平面外抗弯刚度、抗压承载力与抗剪承载力,在超高层建筑、海洋平台等结构中具有广泛的应用潜力。首先建立了双波纹钢板混凝土组合板有限元模型,利用ANSYS/LS-DYNA非线性软件对双波纹钢板混凝土组合板的破坏模式和爆炸响应进行了数值分析,并与双钢板混凝土组合板接触爆炸试验进行对比,验证了数值分析方法的准确性。参数化分析了波纹对齐方式、波纹深度和波纹密度对双波纹钢板混凝土组合板抗爆性能的影响规律。结果表明,接触爆炸作用下,双波纹钢板混凝土组合板的抗爆性能优于普通双钢板混凝土组合板的抗爆性能,钢板采用螺栓间上凸下凹形式,以及增加波纹深度和密度可以显著提高组合板的抗接触爆炸性能。

双钢板混凝土组合结构起波钢筋连接件的拉伸力学性能研究

提出将起波钢筋作为双钢板混凝土组合结构的连接件,并设计开展12个组合板单元体试件的拉伸试验,研究了直径和起波角度对起波钢筋连接件拉伸力学性能的影响。研究结果表明:连接件的破坏模式分为拉直后断裂和未拉直即断裂两种,当起波钢筋连接件在拉直后发生破坏时,变形能力和耗能能力得到大幅提高;随着连接件直径和起波角度的增大,破坏位移、拉断力和耗能能力也增大,但起波角度对拉断力影响较小;提出起波钢筋连接件强度的计算方法,计算结果与试验结果吻合较好。结合试验结果,对双钢板混凝土组合结构起波钢筋连接件的设计提出了合理化建议。

双钢板混凝土组合剪力墙-钢梁单边螺栓端板连接节点抗震性能研究

为解决双钢板混凝土组合剪力墙与钢梁难以实现现场免焊装配化连接的问题,提出了一种采用分体垫片式单边螺栓端板连接的装配式节点构造,设计并制作了两个足尺试件进行低周往复加载试验及有限元分析,研究了连接节点的变形机理、破坏形态、承载能力、延性、耗能能力以及刚度退化性能。研究结果表明:根据节点区竖放H型钢翼缘厚度不同,节点破坏模式可分为梁端塑性铰破坏和柱壁破坏;发生梁端塑性铰破坏的节点滞回曲线呈饱满的梭形,表现出良好的抗震性能,柱壁及节点区内填混凝土基本保持完好;发生柱壁破坏的节点表现为螺栓孔周钢板受拉形成圆形屈服面,内填混凝土压溃,承载力较低且刚度退化严重,耗能能力较差,加载后期节点的转角主要源于节点区的转动,该失效模式在设计中应予以避免。

双钢板混凝土组合墙抗冲击计算方法研究

为研究双钢板混凝土组合(SC)墙的抗冲击性能,采用ABAQUS建立了SC墙在轴力与冲击耦合作用下的数值模型,并通过已有SC构件落锤冲击试验结果验证了有限元模型的适用性.基于此,首先分析了SC墙的抗冲击工作机理;其次,重点研究了钢板含钢率、轴压比等参数对构件动力响应的影响;最后给出了该类构件在轴力-冲击耦合作用下跨中最大挠度简化计算公式.结果表明:SC墙冲击全过程分为四个阶段,混凝土是构件抗冲击的主要耗能部件;轴压比会削弱构件的抗冲击性能,且当轴压比大于0.2时,影响更加明显;钢板含钢率、冲击速度、冲击质量与对拉钢筋间距对构件抗冲击性能影响较大;建议的计算公式能有效预测冲击荷载下考虑轴力影响的SC墙跨中最大挠度.

内置分块波纹钢板-混凝土组合剪力墙抗震性能分析

传统的钢板-混凝土组合剪力墙构造复杂、现场施工难度大,由于连续的钢板将剪力墙的混凝土一分为二,还可能导致墙体整体性变差。为克服上述缺陷,本文提出了一种内置分块波纹钢板的新型钢-混凝土组合剪力墙,并对其抗震性能进行了数值分析。基于ABAQUS有限元计算软件,首先验证了本文提出的建模方法的可靠性,进一步建立了内置水平、竖向分块波纹钢板-混凝土组合剪力墙的非线性数值分析模型。计算结果表明:墙体的滞回曲线饱满,具有良好的延性及耗能能力;波纹钢板的放置方向对墙体性能的影响很小;加大轴压比或减小高宽比都会降低墙体的延性。

T形双波纹钢板混凝土组合剪力墙抗震性能试验研究

为研究T形双波纹钢板混凝土组合剪力墙的抗震性能,以轴压比、波纹钢板形式、翼缘宽度和剪跨比为变化参数,完成了5个试件的拟静力加载试验。基于试验中观测的破坏形态和滞回曲线,对T形双波纹钢板混凝土组合剪力墙的破坏规律和抗震性能进行了分析。试验结果表明:在低周反复荷载作用下试件破坏形态表现为压屈和受拉破坏,破坏发生在腹板端柱底部,滞回曲线呈捏拢的S形,具有非对称性;波纹形状对试件整体抗震性能影响不大;随着轴压比的提高,核心混凝土的约束作用得到加强,水平承载力提升较大,破坏时位移减小,延性变差;增大翼缘宽度可以减小强度退化程度;减小剪跨比可以显著提高试件的初始刚度和水平承载力,但耗能能力变差。

格栅管式双钢板组合剪力墙抗震性能的有限元分析

基于钢材延性损伤和混凝土三向约束的塑性损伤的有限元分析模型,进行格栅管式双钢板组合剪力墙抗震试验仿真分析,开展试验结果与有限元结果对比分析。研究表明:格栅管式双钢板墙三向约束管内混凝土,管内混凝土强度和延性大幅度提高;管内混凝土保护了外侧双钢板,避免了外侧双钢板受压屈曲破坏,二者协同工作,优势互补,其极限水平位移角为1/35左右。

单面受火双钢板-混凝土组合剪力墙的耐火性能试验研究

为研究双钢板-混凝土组合剪力墙结构的耐火性能,对3榀采用不同剪力件连接(螺栓连接、栓钉连接、栓钉和剪力杆组合连接)的双钢板-混凝土组合剪力墙进行了轴压力和单面ISO-834标准升温作用下的耐火性能试验,得到这种新型组合剪力墙结构在火灾下的温度场分布、轴向变形及破坏模式,并就不同剪力连接件对组合剪力墙耐火性能的影响进行了分析和比较.结果表明,剪力连接件能够保证钢板与混凝土共同工作;采用不同剪力连接件连接的组合剪力墙在火灾下的破坏模式是相同的,但不同剪力件对组合剪力墙耐火性能的影响不同,采用螺栓连接的组合剪力墙的耐火极限最短,采用栓钉和剪力杆组合连接的剪力墙耐火极限最长.

基于钢板屈曲分析的双钢板-混凝土组合剪力墙轴压承载力计算方法

为了考虑钢板屈曲对双钢板-混凝土组合(DSCC)剪力墙的轴压承载力的影响,该文首先以4个组合墙的轴压试验为基础,采用ABAQUS建立DSCC剪力墙的有限元模型。模型中混凝土采用实体单元,钢板采用壳单元,剪力连接件采用非线性弹簧单元SpringA,并考虑了材料非线性和钢板初始缺陷。在验证有限元模型后,研究了不同参数对钢板屈曲的影响,得到了钢板屈曲应力的计算公式。分析结果表明:当钢板出现局部横向贯通屈曲时,破坏模式为屈曲位置的混凝土压碎;当钢板未发生屈曲时,破坏模式为钢板屈服;墙侧面钢板宽度较小时,侧面钢板不会发生屈曲。最后,基于钢板屈曲分析以及构件极限状态下的应力状态分析,提出了新的DSCC剪力墙的轴压承载力计算方法,引入了钢板屈曲的影响。结构表明:对比规范JGJ/T380―2015采用的计算公式,该文提出的计算方法具有更高的精度和稳定性,可用于DSCC剪力墙的深入研究以及工程设计。

低剪跨比带约束拉杆双钢板-混凝土组合剪力墙抗震性能试验研究

为了研究低剪跨比带约束拉杆的双钢板-混凝土组合剪力墙的抗震性能,对6个带约束拉杆的双钢板-混凝土组合剪力墙试件进行了滞回加载试验,研究了低剪跨比情况下包含不同参数的组合剪力墙的破坏模式、变形能力及耗能能力,得到了试件的滞回曲线、骨架曲线、承载力、位移延性系数、刚度退化曲线以及累计耗能曲线.然后,采用Open Sees程序对带约束拉杆的双钢板-混凝土组合剪力墙试件和普通钢筋混凝土剪力墙分别进行了数值模拟分析.研究结果表明:在低剪跨比情况下,带约束拉杆的双钢板-混凝土组合剪力墙的抗震性能良好;减小约束拉杆间距和端部增设型钢构件均可提高试件的承载力并改善其延性;与普通钢筋混凝土剪力墙相比,组合剪力墙的承载力和耗能能力显著提高.

双钢板-混凝土组合剪力墙抗震性能试验研究

提出一种新型的配置L形拉结件的双钢板-混凝土组合剪力墙。通过两组共6个双钢板-混凝土组合剪力墙试件的拟静力试验,对此新型组合剪力墙的抗震性能进行了研究。试件改变参数主要为轴压比和连接件间距,在试验的基础上对试件的破坏形态、承载能力、滞回曲线、骨架曲线、刚度退化曲线等进行分析。试验研究表明:L形拉结件的配置既能增强外包钢板对核心内混凝土的约束作用又能抑制外包钢板的屈曲,充分保证了外包钢板和混凝土之间的协同工作,此新型组合剪力墙具有较高的承载力,较好的延性及耗能能力。在达到峰值荷载之前,墙体钢板未发生明显的局部屈曲变形,最终组合剪力墙均因端柱屈曲拉裂而开始破坏;破坏时极限位移角的平均值为1/58;随着距厚比减小,试件的水平承载力和延性系数均显著提高。

核岛结构双钢板混凝土组合剪力墙低周往复试验研究

为了解决核岛结构中屏蔽厂房的剪力墙在地震作用下的安全性能问题,对9个1∶5缩尺试件进行了低周往复拟静力试验.通过试验研究了双钢板混凝土组合剪力墙试件的刚度变化、破坏模式和耗能能力等特性,分析了钢板厚度、栓钉间距、竖向荷载以及加劲肋设置等因素对组合剪力墙抗震性能的影响.结果表明:双钢板混凝土组合剪力墙有很好的延性和耗能能力;钢板厚度、竖向荷载和加劲肋的设置都对剪力墙的抗震性能有很大的影响,而栓钉间距对其影响不大.在试验的基础上对部分试件进行了有限元数值分析,通过与试验结果的比较发现两者的结果能够较好吻合.最后,对本试验研究成果和核岛结构双钢板混凝土剪力墙已有研究成果进行了对比分析,并对以后的试验设计提出了改进的方向.

双钢板-混凝土组合剪力墙变形特性的有限元分析

建立了双钢板-混凝土组合剪力墙的精细化有限元模型,在模型中采用了基于断裂能和单元特征长度的混凝土应力-应变关系,有限元分析获得的墙体侧向力-侧向总变形关系、弯矩-曲率关系与已有的他人试验结果吻合较好。对曲率二次积分求得弯曲变形,将总变形分解为弯曲变形和剪切变形两部分。结果表明,破坏模式为弯曲控制的双钢板-混凝土组合剪力墙在加载过程中弯曲刚度和剪切刚度均有退化,其剪切变形不宜采用弹性方法计算,且剪切变形占总变形的比例在变形过程中基本上为常数。对剪切变形在总变形中所占的比例进行了参数分析,结果表明,剪跨比显著影响剪切变形的所占比例,轴压比的影响可忽略。最后,提出了该比例的实用计算公式。

双钢板混凝土组合剪力墙试验研究及结构弹塑性时程分析

以16个不同参数的带约束拉杆的双钢板混凝土组合剪力墙滞回加载试验为基础,研究了不同高宽比、轴压比以及不同约束拉杆间距的组合剪力墙破坏模式,得到了试件的滞回曲线、承载力、骨架曲线以及位移延性等抗震性能参数,并通过数值计算其与普通钢筋混凝土剪力墙的对比,分析得出组合剪力墙具有比普通剪力墙更好的承载力和延性。同时采用ABAQUS有限元软件对双钢板混凝土组合剪力墙结构和普通混凝土剪力墙结构进行不同地震作用水平的弹塑性时程分析,对比了二者的层间位移角及构件的塑性耗能,结果表明较之普通混凝土剪力墙,组合剪力墙可以有效的减小结构的层间位移角,降低剪力墙的塑性耗能,提高连梁的耗能比例,对结构抗震更为有利。

双钢板-混凝土组合墙局部屈曲性能试验

进行了4片双钢板-混凝土组合墙轴向受压试验,分析钢板强度和距厚比(抗剪连接件间距与钢板厚度比值)对外钢板局部屈曲位置、临界荷载、破坏类型的影响规律。结果表明:在竖向的2个连接件和4个连接件中部位置的钢板容易发生屈曲,且钢材强度越高,防止试件发生屈曲先于屈服局部弹性屈曲破坏的距厚比限值越小;距厚比仅对构件的破坏类型、局部屈曲的临界荷载影响较大。在试验研究基础上,采用理论分析,推导了防止钢板发生局部弹性屈曲破坏的距厚比限值公式,并采用国内外试验研究数据和数值模拟分析方法对公式的适用性进行验证,进一步修正了防止双钢板-混凝土组合墙发生局部弹性屈曲破坏的距厚比限值设计公式。