鋼梁-柱落錘沖擊實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬分析.pdf

1、近些年，鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛認(rèn)可，在土木工程界的應(yīng)用也越來越多，這在一定程度上促進(jìn)了相關(guān)設(shè)計(jì)理論、學(xué)術(shù)研究的不斷發(fā)展，其抗爆、抗沖擊研究更是成為熱點(diǎn)。在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)，除常規(guī)設(shè)計(jì)荷載外，鋼結(jié)構(gòu)往往還遭受到意外的爆炸、撞擊等偶然荷載，因此必須使其具有相應(yīng)抵抗能力。鋼梁、柱等作為主要承重構(gòu)件，受到撞擊時(shí)的動(dòng)力響應(yīng)是首先需要解決的問題，并且可以為進(jìn)一步設(shè)計(jì)計(jì)算提供基礎(chǔ)。本文對工字型截面梁-柱構(gòu)件受落錘撞擊作用時(shí)的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行研究分析，主要包

2、括落錘沖擊實(shí)驗(yàn)、有限元模擬及等效單自由度模型應(yīng)用。
　　落錘沖擊實(shí)驗(yàn)中采用圓柱型螺旋壓縮彈簧施加軸力，采用高速攝像機(jī)記錄構(gòu)件變形過程，利用動(dòng)態(tài)信號(hào)采集系統(tǒng)采集應(yīng)變等數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)研究表明:兩端簡支工字型梁-柱構(gòu)件在受到中點(diǎn)橫向撞擊作用時(shí)不僅會(huì)發(fā)生平面內(nèi)的彎曲變形，還會(huì)出現(xiàn)平面外的彎扭變形，且腹板局部屈曲是彎扭變形的誘因;總體來說彎曲變形及彎扭變形會(huì)隨著軸力、撞擊速度的增大而增大，但一定范圍內(nèi)的軸力、撞擊速度會(huì)減小彎扭變形;構(gòu)件軸力變化

3、與軸向變形及彈簧剛度有關(guān)，采用剛度較小的壓縮彈簧施加軸向荷載是可行的。
　　利用通用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA對實(shí)驗(yàn)結(jié)果做了有限元模擬，通過變形過程、最終位移及應(yīng)變數(shù)據(jù)的比較，發(fā)現(xiàn)二者具有較好的相符性，說明利用有限元數(shù)值模擬的方法研究平面外彎扭屈曲是可行的。以此為基礎(chǔ)，進(jìn)一步分析接觸面摩擦力、軸力、落錘質(zhì)量、撞擊速度、邊界約束條件等對彎扭變形的影響;并借助有限元模擬驗(yàn)證單自由度模型數(shù)值計(jì)算的正確性。
　　利用有限元

4、軟件可以對受撞擊作用構(gòu)件的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行精確研究分析，但其操作過程復(fù)雜，理論要求較高，而利用動(dòng)力學(xué)中常用的單自由度模型求解動(dòng)力響應(yīng)正好與此相反。本文利用極限荷載理論判斷超靜定構(gòu)件塑性鉸的形成順序，進(jìn)而根據(jù)材料力學(xué)方法得出各階段變形曲線，結(jié)合哈密頓原理等動(dòng)力學(xué)方法推導(dǎo)得出兩端帶轉(zhuǎn)動(dòng)約束梁-柱構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)微分方程及其系數(shù)表達(dá)式。采用線加速度法進(jìn)行運(yùn)動(dòng)方程數(shù)值計(jì)算，為了合理地考慮應(yīng)變率效應(yīng)，本文按照塑性鉸定長分布假定，根據(jù)塑性鉸轉(zhuǎn)過的角度計(jì)算塑性