1、分类号： 单位代码：10019密 级： 学 号：S11101142学位论文受冲击钢管混凝土柱动力屈曲性能研究Research on Dynamic Buckling of Concrete Filled Steel Tube under Axial Impact研 究 生： 指 导 教 师 ： 合 作 指 导 教 师： 申 请 学 位 门 类 级 别： 工学硕士 专 业 名 称 ： 结构工程 研 究 方 向 ： 结构性能与设计 所 在 学 院 ： 水利与土木工程学院 2013 年 5 月独 创 性 声 明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中
2、特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名： 时间： 年 月 日关于论文使用授权的说明本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。(保密的学位论文在解密后应遵守此协议)研究生签名： 时间： 年 月 日导师签
3、名： 时间： 年 月 日摘要本文利用 ABAQUS/Explicit 模拟了刚体轴向撞击圆截面钢管混凝土杆的过程，分析了杆的动力响应，并研究了各种因素对冲击荷载、接触时间等的影响。引入初始缺陷，分析冲击荷载作用下杆的动力屈曲，给出了判断动力屈曲的准则，并分析了各因素对弹塑性杆动力屈曲的影响。此外，对应力波在钢管混凝土中的传播过程进行了分析，并与理论值进行了比较。引入第二强度理论分析核心混凝土破坏情况，以及分析比较了钢混界面的位移差。最后通过落锤撞击实验来研究动力屈曲的过程及特点，得到的主要结论如下：(1) 在刚体冲击下，应力波在钢管中传播速度快于在混凝土中，传播速度值与理论值基本上符合。但考虑
4、波在两种材料中的传递过程及影响，不能单纯视作在各自材料中的传播效应。(2) 考虑弹性本构时，接触时间随着冲击速度的增加线性减少，冲击荷载峰值随着速度的增加线性增加。弹性杆的最大冲击荷载峰值远大于弹塑性杆的荷载峰值，且弹塑性杆的接触时间明显比弹性杆的要长。随着杆长的增大，冲击荷载最大峰值逐渐减小，接触时间明显增长，且弹塑性杆的接触时间明显比弹性杆的接触时间要长。随着质量比的增大，冲击荷载最大峰值逐渐减小，接触时间逐渐减小。当质量比 0.1 时，出现二次撞击。(3) 弹塑性杆的动力屈曲主要发生在局部位置，弹性杆的动力屈曲是发生在全杆范围内的。相同的冲击速度下，弹性杆的动力临界屈曲时间早于弹塑性杆。
5、(4) 考虑有限边界时，弹性杆的动力屈曲发生的时间均比考虑有限边界长。弹塑性杆的动力屈曲时间几乎不变。关键词：弹塑性，应力波，冲击荷载，接触时间，动力屈曲IAbstractIn this paper, by using finite element software ABAQUS/Explicit, the process of a rigid body impacting a concrete filled steel tubular column with circular cross-section axially was simulated. The dynamic response
6、of the bar was analyzed with the studying of the influence caused by various factors, like impact load, contact time and so forth. By introducing initial defects, the dynamic buckling of the elastic-plastic bar was analyzed under the impact load. Besides, the dynamic buckling judgment criterion was
7、given with the effect analysis of dynamic buckling caused by various factors. In addition, the second strength theory was adopted to analyze concrete destruction and displacement between steel tube and concrete. Finally the dynamic buckling process and characteristics were studied by drop-hammer imp
8、act tests. The main conclusions are as follows:1. Under the rigid impact, stress wave travel faster in the steel tube than concrete and its value can fit theoretical value better.2. Considering the elastic bar, contact time would decrease linearly with the increasing of impact velocity, and the peak
9、 of impact load would increases with the impact velocity increase. The peak of contact time of the elastic bar is considerably larger than the elastic-plastic one and its contact time was also obviously longer. As the bar length increase, the peak of impact load reduced gradually with the contact ti
10、me grows. Moreover, contact time of the elastic-plastic bar was significantly longer than the elastic one. Besides, with the increase of mass ratio, the peak of impact load decrease gradually with the contact time. When mass ratio less than or equal to 0.1, secondary collision would occur.3. As to t
11、he elastic bar, the deformation appeared in the whole bar, and as for the elastic-plastic bar, the deformation occurred locality. Under the initial axial impact load, dynamic buckling critical time of the elastic bar would occur earlier than the elastic-plastic one.4. Given infinite boundary, the dy
12、namic buckling critical time of the elastic bar was longer than the elastic-plastic one. Key words: elastic-plastic, stress wave, impact load, contact time, dynamic buckling II目录第一章 绪论 .11.1 研究目的及意义 .11.2 国内外研究现状 .21.3 研究内容和方法 .6第二章 动力屈曲理论研究基础及弹性碰撞的解析解 .82.1 材料定义 .82.2 弹塑性应力波动理论 .112.3 杆自由端点弹性碰撞的解析解
13、 .122.4 本章小结 .16第三章 弹塑性钢管混凝土柱的冲击动力响应 .173.1 模型的建立 .173.2 应力波在弹性直杆中传递过程分析对比 .183.3 碰撞过程中的能量分析 .273.4 各种因素对弹性和弹塑性钢管混凝土直杆冲击响应的影响 .283.5 本章小结 .35第四章 弹塑性钢管混凝土柱的动力屈曲 .374.1 弹塑性杆动力屈曲数值模拟 .374.2 动力屈曲过程分析及判断准则 .384.3 弹性杆和弹塑性杆动力屈曲形式 .464.4 考虑无限边界对弹塑性杆动力屈曲的影响 .504.5 本章小结 .52第五章 钢管混凝土柱轴向碰撞屈曲实验及数值模拟 .545.1 引言 .5
14、45.2 试验原理 .545.3 弹塑性直杆屈曲实验研究 .555.4 材性试验 .575.5 有限元数值模拟 .615.6 试验与有限元数值模拟的分析比较 .625.7 本章小结 .72第六章 结论与展望 .746.1 结论 .746.2 展望 .75参考文献 .77III致谢 .81作者简历 .83中国农业大学硕士学位论文 绪论0第一章 绪论1.1 研究目的及意义长期以来，结构在冲击荷载作用下的动力屈曲问题的研究在结构工程和工程力学领域十分活跃，对于结构的冲击屈曲特性研究，其意义随着现代工业的快速发展已越来越明显。近年来，大量新型及高强度的轻型超薄结构广泛应用于国防和民用工业的各个领域。而
15、如杆、梁、板、壳等轻型元件在各类荷载作用下的稳定问题已经引起了人们的极大关注，尤其是随着人们对建筑结构在爆炸、冲击等动荷载作用下稳定问题的关注度的提高，结构稳定问题的研究意义也愈来愈明显。在工程实际中，承受冲击荷载的构件的动力屈曲问题越来越引起关注。诸如：飞机降落架的设计，汽车、火车受到撞击等。在这类结构中，若因为运动失稳而导致结构失效，将会造成重大经济损失甚至导致灾难性后果。因此，研究冲击屈曲问题的动态力学行为有着重大的现实意义和应用价值。冲击过程也可说是碰撞过程，在有关钢构件碰撞过程的研究中，主要关注其几个特点。首先，时间参数的引入使问题变得复杂。撞击过程中冲击荷载的作用时间极短，是毫秒级
16、，远低于常规地震时程分析中的时间间隔，而此时构件的瞬时动力响应和静力响应有很大的不同。其次，材料的本构、质量会影响应力波的传播速度，此外，构件的边界条件也会影响到应力波的反射或透射。再者就是考虑接触问题的非线性性质。第四是钢构件的几何构造复杂和连接的多样性，应力波在其中的传递复杂，引起破坏和失效的因素较多。工程中，钢管混凝土结构被广泛的应用于新建的高层、超高层建筑、大跨度拱桥、核电站、各种军用防护工程等结构的设计之中，其中也经常会涉及到碰撞等问题。目前，对于钢管混凝土构件的力学性能及耐火性能已有了较为深入的研究，并取得大量有实用意义的研究成果，但针对钢管混凝土柱的动力屈曲性能的研究仍处于空白阶
17、段。因此，研究考虑材料非线性和动态材料本构关系的冲击动力响应和屈曲问题有很重大的意义。目前关于钢结构在碰撞过程中所承受冲击荷载的研究还很少，主要是关于基本简单构件如杆、柱等的冲击荷载的研究，研究方法又不近相同，对钢管混凝土构件的碰撞冲击研究更是少之又少。钢管混凝土构件将利用钢管和混凝土两种材料在受力过程中的相互作用，即钢管对混凝土的约束作用使混凝土的强度得以提高，且塑性和韧性大为改善。同时，由于混凝土的存在可以避免或延缓钢管发生局部屈曲，保证其材料性能的充分发挥。在冲击作用下，钢结构比混凝土结构具有更好的延性和优越的抗冲击性能，但钢管由于其管壁的面外刚度较小，容易产生较大的残余变形，形成一定的
18、初始缺陷，易发生局部屈曲。通过钢管和混凝土的相互作用，不仅可以弥补两种材料各自的缺点，而且能充分发挥二者的优点，这也正是钢管混凝土组合结构的优势所在。因此，有必要对钢管混凝土结构在碰撞过程中所承受的冲击荷载进行研究，而对钢管混凝土柱冲击的动力屈曲性能研究及两种材料界面受力分析研究是十分重要有意义的。综上所述，本课题主要采用解析解、试验和数值模拟的方法，对钢管混凝土柱冲击的动力屈曲性能、应力中国农业大学硕士学位论文 绪论1波传递对两种材料界面滑移和核心混凝土破坏进行了研究。1.2 国内外研究现状由于引入了时间参数，动荷载作用下结构的稳定性问题变得极为复杂。目前，结构的动力屈曲问题已经成为结构工程
19、和工程力学领域十分活跃的研究课题，内容涉及杆、板、壳、拱等各类常见结构单元在各种动载作用下的动力屈曲问题。如屈曲准则的建立、临界载荷的确定、初缺陷的影响 等，理论分析和实验研究的论文浩如烟海，尤其近年来不断有综述性文章和专著出现。1.2.1 冲击荷载形式的研究现状冲击过程是一个动态的过程，这个过程是随时间变化的。有些载荷波形是规则的，比如矩形、半正弦、梯形等，这些被称为理想载荷波形。但是在工程中，大部分激励的波形不是规则型的，陈忱 1理想地将这些非规则波形的冲击用规则形状来表示。陈杰 2研究不同模型（杆、壳单元模型）、不同参数下弹塑性冲击荷载的变化，探讨了方管的局部屈曲对冲击荷载的影响。刚体撞
20、击弹塑性方管的冲击荷载，由于塑性对应力波的延迟效应，滞后了后续上升段的开始时间，且速度越大，延迟效应越明显；进入塑性段的时间和速度、质量比有关。速度越大、质量比越小，进入塑性段的时间越长。王安稳 3-4在研究弹性压应力波作用下直杆动力失稳问题时，考虑将碰撞冲击荷载形式假设为阶跃荷载。而剧锦三，杨蔚彪，蒋秀根 5认为实际荷载形式有较大差别，这是由于没有考虑碰撞体的材料性质对柱中应力波的影响。同时，使用数值方法模拟了刚体撞击一端固支的弹塑性杆的全过程，得到不同质量比、冲击速度时的弹性和弹塑性冲击荷载，比较了冲击荷载的弹性解析解、弹性数值解和弹塑性数值解。结果表明：在质量比不变的情况下，刚体速度和冲
21、击荷载的峰值成线性关系，而对接触时间无影响。质量比越小，冲击荷载峰值越大，接触时间越长。对于弹塑性模型，杆中产生的塑性变形引起冲击荷载峰值减小和荷载曲线分布形式发生变化。塑性会延长接触时间，延长的接触时间就是塑性发展的时间。邢誉峰和诸德超 6在探讨杆的纵向和横向碰撞问题的基础上，论证了用模态叠加法求解结构弹性撞击载荷的可行性发展了识别撞击载荷的数值方法用波传播理论、弹性接触理论和模态理论等有关知识对载荷历程进行了分析和解释， 并验证了所给方法的精度和实用性。张善元，程国强，韩志军 7对轴压直杆的稳定性进行了动力学分析。分析表明，屈曲运动方程的解依动力学参数取值范围不同有3种情况，分别相应于稳定平衡、中性平衡和不稳定平衡。进而对于两端简单支承的直杆直截了当地得到动力学参数对轴向载荷的依赖关系；若引入初始缺陷，与放大函数法相结合，便可找到最优发展模态。接着讨论了应力波加载引发的动力屈曲，为这一复杂问题的分析提供了某些有益的启示。1972年，Hayashi和Sano 8用差分方法求解有半正弦初始缺陷的固支梁的弹塑性屈曲动力学微分方程，计算了屈曲模态和轴向荷载的形式。韩强等 9和龚良贵 10用相同的方法讨论了长为L的理想弹性直杆在刚性物块撞击下的动力屈
