【摘要】：薄柔截面構(gòu)件由于其截面形狀經(jīng)濟(jì)合理,當(dāng)單位長度重量一定時(shí),相對(duì)于普通截面鋼構(gòu)件,薄柔截面鋼構(gòu)件具有更大的彈性抗彎剛度及屈服彎矩,更滿足鋼結(jié)構(gòu)節(jié)材、節(jié)能和環(huán)境友好的特點(diǎn),在輕量化低多層鋼框架體系中有著廣泛的應(yīng)用。近年來,國內(nèi)外恐怖襲擊、爆炸、火災(zāi)等極端災(zāi)害造成的結(jié)構(gòu)倒塌事故常有發(fā)生,對(duì)結(jié)構(gòu)的安全造成嚴(yán)重影響,而現(xiàn)有規(guī)范對(duì)結(jié)構(gòu)的抗沖擊設(shè)計(jì)考慮較少,因此,亟需對(duì)薄柔截面鋼構(gòu)件的抗沖擊性能展開系統(tǒng)研究。本文以薄柔H型截面鋼構(gòu)件為主要研究對(duì)象,采用實(shí)驗(yàn)、理論和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,研究其在低速?zèng)_擊荷載作用下的各項(xiàng)抗沖擊性能,并建立了薄柔H型截面鋼構(gòu)件受側(cè)向沖擊荷載作用的理論模型,為薄柔構(gòu)件的抗沖擊設(shè)計(jì)提供依據(jù),主要研究內(nèi)容及結(jié)論如下:(1)進(jìn)行了13個(gè)不同寬厚比及軸壓比組配下的大寬厚比H型截面鋼構(gòu)件的沖擊實(shí)驗(yàn),試件邊界條件為一端固支一端滑動(dòng),沖擊位置距柱底1/3處。結(jié)果表明:H型截面鋼柱受沖擊荷載作用下的變形模式為整體彎曲變形與局部變形的耦合。沖擊發(fā)生時(shí),H型鋼柱在沖擊部位的上翼緣有明顯的下凹,腹板出現(xiàn)明顯的非對(duì)稱面外變形;形成了明顯的局部變形,使H型鋼柱在沖擊點(diǎn)處形成塑性鉸;隨著變形的發(fā)展,在H型鋼柱的固定支座附近下翼緣產(chǎn)生了壓曲變形。實(shí)驗(yàn)中對(duì)腹板厚度、翼緣厚度、沖擊能量、軸壓力等影響構(gòu)件抗沖擊性能的主要參數(shù)進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,隨著腹板、翼緣厚度的增大,沖擊力峰值增長且增長較為明顯;沖擊力的平臺(tái)值也增大,平臺(tái)持續(xù)的時(shí)間逐漸減小。翼緣厚度的增長對(duì)沖擊力平臺(tái)值影響較為顯著,而腹板厚度對(duì)沖擊力峰值影響較為顯著。相同荷載條件下,高截面試件經(jīng)歷沖擊的時(shí)間較長,矮截面試件變形速率較快,兩種截面試件的變形相差不大。(2)考慮材料應(yīng)變率效應(yīng)的影響,建立了H型鋼構(gòu)件受側(cè)向低速?zèng)_擊的有限元模型。采用本文及其他研究者的相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)有限元模型的精度進(jìn)行了比對(duì),驗(yàn)證了模型的可靠性。利用該有限元模型對(duì)薄柔H型截面鋼構(gòu)件在沖擊荷載作用下的構(gòu)件破壞形態(tài)、沖擊力、變形、受力狀態(tài)及應(yīng)力發(fā)展等進(jìn)行了分析。同時(shí)研究不同的參數(shù)對(duì)構(gòu)件在沖擊荷載下力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明,沖擊能量的增加導(dǎo)致鋼構(gòu)件耗能的增加;沖擊時(shí)間主要由沖擊質(zhì)量決定;最大沖擊力主要由沖擊速度決定。同時(shí)沖擊速度使鋼構(gòu)件單位位移下的耗能提高,而沖擊質(zhì)量并不能改變構(gòu)件在單位位移下的耗能。隨著軸壓比的增大,沖擊力降低,撞擊處位移增大;耗能逐漸增大;且軸壓力對(duì)構(gòu)件耗能在沖擊力平臺(tái)階段的影響顯著。(3)基于柱的變形模態(tài)及能量平衡并利用塑性鉸線理論,建立了考慮局部屈曲的薄柔H型截面鋼柱受側(cè)向撞擊的理論模型,給出了構(gòu)件局部屈曲的變形發(fā)展全過程,得到了構(gòu)件局部屈曲處的耗能及使其發(fā)生破壞的臨界沖擊能量,并與有限元結(jié)果比對(duì)驗(yàn)證了該理論模型的有效性。在此基礎(chǔ)上,利用該理論模型對(duì)軸壓力和沖擊位置進(jìn)行了參數(shù)分析,結(jié)果表明隨著柱所受軸壓力的增大,柱在失效之前產(chǎn)生的側(cè)向變形逐漸減小,構(gòu)件臨界沖擊速度逐漸降低;沖擊位置越靠近柱底,構(gòu)件臨界沖擊速度越大;隨著施加的軸壓力減小,柱軸向移動(dòng)導(dǎo)致的軸壓力所做的功增加,塑性耗散能也增加。(4)固定端的實(shí)現(xiàn)是保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的先決條件,本文沖擊實(shí)驗(yàn)的固定端采用螺栓連接,而螺栓松動(dòng)屬于微小損傷,常規(guī)方法難以辨別,但會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生一定影響。為確保沖擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精確性,利用壓電陶瓷的主動(dòng)傳感技術(shù)對(duì)H型鋼柱柱腳螺栓松動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè),通過使用信噪比較高的時(shí)域反演法,分析了聚焦信號(hào)的峰值來持續(xù)監(jiān)測(cè)柱底螺栓的健康狀況,模擬了工程實(shí)際中的螺栓松動(dòng)監(jiān)測(cè),得到了本實(shí)驗(yàn)中試件與夾板之間的最大適合預(yù)應(yīng)力為70N?m。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明柱底螺栓預(yù)應(yīng)力的大小會(huì)影響柱底與夾板之間的實(shí)際接觸面積,進(jìn)而影響聚焦信號(hào)的峰值大小。在預(yù)應(yīng)力值達(dá)到飽和之前,聚焦信號(hào)的峰值隨著柱底螺栓預(yù)應(yīng)力值的增大而明顯增大。
【圖文】：

國家體育場(chǎng) 蘇通長江大橋圖 1-1 大型鋼結(jié)構(gòu)建筑Fig.1-1 Large steel structure buildings根據(jù)力學(xué)性能的不同，在以截面分類為基礎(chǔ)的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中，不同截面類別的構(gòu)件對(duì)應(yīng)著不同的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則[3-5]。薄柔截面構(gòu)件是指不滿足鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面分類準(zhǔn)則中塑性截面要求的板件組成的大寬厚比截面構(gòu)件。當(dāng)單位長度重量一定時(shí)，相對(duì)于普通截面鋼構(gòu)件，薄柔截面鋼構(gòu)件截面形狀經(jīng)濟(jì)合理，且具有更大的彈性抗彎剛度及屈服彎矩更滿足鋼結(jié)構(gòu)節(jié)材、節(jié)能和環(huán)境友好的特點(diǎn)。隨著我國城鎮(zhèn)化的不斷發(fā)展，近年來多層鋼結(jié)構(gòu)在國內(nèi)逐步推廣，H 型鋼作為梁柱構(gòu)件的支撐，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性高，，適用于承受振動(dòng)和沖擊荷載大的建筑結(jié)構(gòu)，抗自然災(zāi)害能力強(qiáng)，特別適用于一些多地震發(fā)生帶的建筑結(jié)構(gòu)以及橋梁、船舶、起重運(yùn)輸機(jī)械、設(shè)備基礎(chǔ)等[6-11]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在世界上發(fā)生 7 級(jí)以上毀滅性大地震災(zāi)害中，以 H 型鋼為主的鋼結(jié)構(gòu)建筑受害程度最小[12]。而薄柔 H 型鋼

防撞柱受汽車的撞擊圖 1-2 意外荷載的撞擊Fig.1-2 Buildings impacted by accidental loads側(cè)向沖擊下鋼結(jié)構(gòu)的破壞模式及響應(yīng) H 型截面鋼構(gòu)件抗沖擊性能研究綜述本節(jié)對(duì)普通 H 型截面鋼構(gòu)件受側(cè)向沖擊的研究進(jìn)行了整理與總結(jié)，考察了該類構(gòu)件擊荷載下的各項(xiàng)抗沖擊性能，包括沖擊力、塑性變形能力及耗能能能力等的研究，現(xiàn)有研究的不足進(jìn)行了總結(jié)。王蕊[34, 35]、郭昭勝[36]、裴暢[37]等人利用 DHR9401 落錘沖擊實(shí)驗(yàn)機(jī)[38]對(duì) 12 根熱軋鋼構(gòu)件在側(cè)向撞擊荷載下的力學(xué)性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。重點(diǎn)觀察了邊界條件和沖擊
【學(xué)位授予單位】：太原理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TU391

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2589874