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他练歌,郝,剑,徐Chenξ你, ”崩溃的行为冲击荷载下钢管混凝土柱钢梁框架”,材料科学与工程的发展, 卷。2021年, 文章的ID6637014, 15 页面, 2021年。 https://doi.org/10.1155/2021/6637014
崩溃的行为冲击荷载下钢管混凝土柱钢梁框架
练歌,1,2 郝胡
,1,3
剑他,1
徐陈,2
和
喜你4
1重庆大学土木工程学院,艺术与科学学院,重庆,402160年中国
2基础设施部门,重庆大学艺术与科学学院,重庆,402160年中国
3土木工程防灾减灾研究所重庆大学艺术与科学学院,重庆,402160年中国
4重庆大学土木工程学院,重庆,400045年中国
文摘
逐渐崩溃的钢管混凝土(钢管混凝土框架结构研究了受冲击荷载的车辆由有限元软件ABAQUS,直接模拟方法(DS)和备用路径方法(美联社),分别。首先,总共14参考样本包括8空心钢管和6钢管标本验证数值模拟的横向冲击载荷作用下的有限元模型,与现有的测试结果比较,证实它们之间的总体相似度。其次,建立了有限元分析(FEA)模型来预测一个五层的影响行为和组合箱梁,框架是由钢管混凝土柱和钢梁组成的车辆荷载下的影响。失效模式,内部强迫时间曲线、位移时间曲线和力学性能的钢管框架通过分析获得的。最后,它由DS法得出的结果更接近实际情况和冲击载荷下的结构的崩溃过程可以相对准确地描述;然而,美联社方法不是。
1。介绍
钢管混凝土(钢管混凝土结构在土木工程结构广泛遇到,如复合框架,它的列是钢管混凝土(钢管),而钢横梁。这种结构通常暴露于意外冲击载荷在服务。近年来,已经有一些连续的结构崩溃,因为世界各地的自然灾害和恐怖袭击(1- - - - - -3]。然而,连续倒塌由于偶然的影响除了一些正常负荷没有被认为是在现有设计规范的安全结构设计(4- - - - - -9]。
到目前为止,许多研究人员已经研究了结构的连续倒塌在一些偶尔的情况下(10- - - - - -11]。一个新的局部分布式损伤方法捕获失去稳定性现象被描述为钢框架时刻Gerasimidis [12]。萨卢姆(13)展示了一个典型的脆弱性这里圆形钢筋混凝土建筑对进步的结果产生的爆炸波崩溃。丁(14]研究了钢框架结构的失效概率对恐怖袭击。江(15]提出逐步崩溃阻力三维钢结构与钢筋混凝土板暴露在局部火灾。建筑高度的鲁棒性的影响钢筋混凝土框架建筑物抵抗逐步崩溃是调查山(16]。王(17]研究了不锈钢复合材料连接接头的子和耐震分析帧删除列。香港(18]介绍了大规模测试的结果在一个三维(3 d)复合地板的场景下标本内部删除列。在[19),不同跨度预制梁的长度的影响,研究了在不同列删除场景。周(20.)进行了逐步崩溃表现三个子结构½大小的时刻,包括传统的钢筋混凝土试件和两个电脑标本使用销酒吧和支撑。这些研究提供有用的信息在不同的结构或组件的逐步崩溃的特定类型的灾害主要集中在爆炸和火灾,但产生冲击载荷对复合帧的数据。考虑动力效应通过载荷对结构的影响,是非常重要的结构合理设计有效的结论和建议加强建筑物抵抗的能力进步的崩溃,并确保在短时间内结构稳定性。
这个研究连续倒塌性能和分析方法的一个典型的复合钢管混凝土组合框架(钢管)列和钢梁意外冲击载荷的车辆通过有限元软件有限元分析。本文有限元模型的结果为一个成员在动态影响是重合的,现有的实验。这倒塌性能的综合框架的直接模拟方法相比(DS)是通过备用路径方法(美联社)(21在列上失败节点的位移和轴向力相邻的列。
2。验证的有限元模型
2.1。引入测试的影响
作为平面框架的验证的基础,最简单、最重要的模型是在轴向柱受到横向冲击。首先,基于有限元分析软件平台,一系列的数值分析模型的现有测试钢铁和横向冲击荷载作用下钢管混凝土柱。验证测试由6钢管混凝土钢管和8空心钢管混凝土测试。总结了表的详细信息1,象征B名义外部深度,D钢管的外径,t年代钢管的厚度,l样品的长度,V是横向冲击速度,米落锤的质量。
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星号的标本标签是空心钢管。 |
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2.2。有限元模型
在有限元模型中,建造了四个部分:钢柱,核心混凝土柱、落锤、终板。电影4-node有限应变线性减少积分壳单元(S4R)给出的有限元程序ABAQUS用于本研究模型的钢管。8-node 3 d线性积分减少单位(C3D8R)是用于混凝土模型。
为了提高计算效率,四路三维刚体单元(R3D4)被用于模型落锤和终板因为锤的刚度大于列的影响及其变形几乎没有发生。钢铁材料的本构关系,采用双线性模型,核心混凝土采用混凝土损伤塑性模型,并分别考虑应变率效应。网格划分影响地区非常密集,而在其他地区相对稀疏。钢管柱的两端被命令与刚性端盘子的领带。参考点建立在端板施加边界约束和轴向力。钢管混凝土柱之间的联系和落锤由地对地接触(显式)。此外,切向行为是用来考虑切向粘结应力的凝聚力,因为混凝土和钢管的表面上(25]。这时,相对滑动的界面由哥伦比亚摩擦模型,模拟和摩擦系数的值是0.6。
2.3。结果验证
获得的失效模式的有限元分析(FEA)和测试比较图1。测试从引用22- - - - - -24),分别。可以看出,模拟失效模式和变形的标本与实验结果有很好的一致性。侧向位移和冲击力比较如图2和3,分别。良好的有限元分析和试验结果之间的协议是实现,呈现在图2。总体趋势和数值都是接近测试图3。Δ,P,T横向位移、冲击力和影响时间,分别。它可以得出的结论是,典型的结果从有限元分析验证了实验中观察到的调查。基于扩展的模型,分析冲击载荷下的力学性能的钢管混凝土框架进行第三节。
(一)
(b)
(c)
(一)
(b)
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(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(g)
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3所示。有限元分析的进步的平面组合框架崩溃
3.1。多尺度有限元模型
框架钢结构中常用的公共建筑、多层工业工厂,和一些特殊用途的建筑物,如剧场、商场、车站、展厅、停车场、轻工业车间。根据相关标准(9),一个典型的龙门框架结构钢管混凝土柱与钢梁5层3跨设计如图4,满足正常使用要求的设计。关节的龙门框架外部ring-plate-type-included中间和外部关节,加强环的宽度是100毫米,厚度是12毫米,如图5。本文进行比较研究考虑潜在的失败中间列b .此外,模型的基本信息如下:建筑的一般信息:列间距为6米,高度3.6米,柱脚、巩固基础框架柱:○−360×6毫米框架梁:Ι−300×250×8×12毫米(高×宽××腹翼)材料信息:钢管和使用钢S355钢梁,钢的屈服应力fy是355 MPa,钢的强度极限吗fu是470 MPa,混凝土立方体强度f铜是50 MPa加载:在所有光束垂直均布荷载是45 kN / m,此外应用和重量的结构
(一)
(b)
3.2。方法分析逐渐崩溃
考虑到计算精度和成本,提出了一种混合多尺度模型包括梁单元,壳单元,和固体元素。的几个功能交互界面的有限元分析是用来处理不同单位之间的联系,实现模型和宏观模型。精细模型的影响列和联合和整体多尺度框架工作的直接模拟方法(DS)和备用路径方法(美联社)如图6。
(一)
(b)
3.2.1之上。直接模拟方法(DS)
美联社方法不需要考虑列失败的原因。与美联社方法相比,影响条件导致组件失败是考虑。有许多形式的意外荷载对建筑结构的影响。DS模型考虑的意外影响条件的汽车撞击底部列停车场和专门研究结构损伤程度的影响造成的这种影响剩余结构的抗连续倒塌。
车辆意外加载高不确定性的影响是一个在美国,根据车辆总重额定值)(整车),即轻型,中型和重型卡车。如图7(一),一个中型卡车(F800卡车)被选为参考卡车。这一类特定的卡车类型选择,因为(1)轻型卡车通常不会导致柱损伤;(2)F800卡车接近下界的重型卡车满载时类别。此外,卡车可以重载,它可以覆盖重型卡车的某些方面类别(26];和(3)的研究表明,超载F800卡车有相同的重型卡车严重影响效应。在公开可用的卡车有限元模型中,F800卡车模型已经被许多学者[广泛应用和验证27,28]。
(一)
(b)
陈(29日)建立了一个等效框架来模拟F800卡车和列碰撞的影响,并验证了模型的有效性通过比较他们的变形和内部能量的关系。F800卡车相当于一个框架,分为底盘通道,引擎,和货物,如图7 (b)。三个主要影响参数选择反映车辆的不确定性的影响,包括冲击载荷、速度和高度的影响点F800卡车。为了方便各种因素的比较,5为每个参数值被。总共125次试验将进行;此外,计算将大如果所有的研究充分考虑每个参数的组合。通过结合noncomprehensive一定模拟参数和选择具有代表性的测试点,通过合理的参数可以显示的影响。因此,每个参数值的分析是利用正交试验方法见表2。
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3.2.2。备用路径方法(美联社)
美联社的方法适用于分析结构崩溃在爆炸和冲击负载的情况下,基于假设的失败的一个或几个主要垂直成员结构可以用来计算剩余结构响应。
3.2.3。崩溃的标准
本文的非线性动态倒塌分析钢管混凝土平面框架结构研究,和限制故障判据的钢梁的12是使用旋转角度值从GSA的代码4]。崩溃时发生的失败节点的垂直位移大于1275毫米的极限位移值对应于这个框架。
3.3。比较分析
3.3.1。破产机制
从图8,可以看出有两个列冲击载荷下变形模式的失败。列一个是局部变形如图8(一个)和9(一个)列,另一个是大变形时脚被破坏影响过程中数据所示8 (b),8 (c),9 (b),9 (c)。此外,在冲击接触网站和钢管的两端,有应力集中和部分钢管出现裂缝;相对明显的局部变形也发生在联合区,如图9 (c)。
(一)
(b)
(c)
(一)
(b)
(c)
它可以从数据8(一个)和8 (b)分别,如果冲击能量很低在DS方法中,几乎没有任何变形在剩下的框架结构,除了小影响柱的弯曲变形;此外,本专栏仍然可以工作。如果影响列失败了,梁的垂直位移和关节结束本专栏的很大,并且几乎没有任何变形在剩余的框架结构。然而,盈余结构的内力重新分配,和整数没有发生崩溃。如图8 (c),美联社的结果类似于DS的方法在图8 (b)。影响柱的破坏后,内力重新分配,将出现一个新的平衡态框架的最终由于良好的变形能力,延性,,此外,悬索钢梁的效果。
3.3.2。轴向力相邻列
的axial-force-time-history曲线一个,B,D底柱在不同条件下所示的数字10 (),10 (b),10 (c)。可以看出,强迫的状态B列是比这更不利的一个和D列。轴向力的变化趋势一个,B,D列的DS为每个影响组合方法是类似的情况。轴向力显著增加首先扭转振动结构的结果,它降低当时间增加然后在某种程度上保持价值。
(一)
(b)
(c)
在最坏的情况下,最大的轴向力B列是美联社的方法的2.12倍。更多的轴向力产生的B列的相邻列,因为影响列被摧毁。在图10美联社获得的,结果方法通常是接近DS的中间值的方法,这只代表一个组合的影响,没有实际意义。因此,它是不可靠的,而且,不安全的评估的动态效应美联社冲击载荷下结构的方法。
3.3.3。故障点的位移
如图11美联社获得的,最大位移方法是322毫米低于1275毫米,这是限制位移displacement-time-history曲线的失败点。这表明进步崩溃可以抵制由五层平面框架结构。在DS法,在不同影响条件下,位移的最大值变化相对较大,在17毫米- 1274毫米。然而,与美联社方法相比,最坏的情况下的最大位移在DS方法是1274毫米,基本上达到了1275毫米,崩溃可能出现。它可以预测,DS方法比美联社方法更精确的分析框架结构的崩溃。
3.3.4。数据分析
根据图10,可以得出结论,B柱的轴力变化后最重要的影响。因此,为了衡量每个影响因素的框架的影响,轴向力变化参数η介绍了B柱的postimpact轴向力的比值preimpact表3。通过正交设计原理,参数的总和η在速度(或质量和位置)的因素我水平是由K我, 在哪里η霁——比速度(或质量和位置)的价值因素j测试的框架我th水平;n——在25日的测试中,每一层的出现次数n= 25/5 = 5,≤1我1≤≤5j≤5。
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速度的平均值(或质量和位置)在每个层面的因素是获得的k我的公式如表所示3:
对每一个因素(速度,质量,或位置),参数R价值是其中一个最大的五个数字减去最小的一个,这反映了变化的波动水平因素。的R值更大,更重要的影响因素。根据的价值R,订单可以确定的因素的重要性,可以看到,最明显的因素是速度,如表所示3。
单因素分析也显示在图12,可以得出以下结论:速度在40 - 80 km / h,和平均影响程度随着速度的增加而显著增加价值,超过80 km / h在图的影响较小12(一个)。如图12 (b)的影响,平均质量影响程度接近线性增长。从图可以得出结论12 (c)的平均影响程度增加而影响点的距离的增加从底部的列。
(一)
(b)
(c)
4所示。结论
两种方法的应用包括美联社法和DS法讨论了本文研究在抵制进步崩溃的钢管混凝土(钢管混凝土框架结构在低速冲击载荷。本研究的结论和建议可以概括如下:(1)它提出了最明显的因素是速度为每一个因素(速度,质量,或位置)的影响效果。(2)崩溃的标准,没有frame-progressive崩溃发生通过美联社方法;然而,垂直的崩溃几乎DS发生的方法。由于失败的C柱由美联社方法,剩余结构的内力重新分配。加载一度由C列是转移到相邻的列,最后,达到一个新的平衡态的结构。可以看出,钢管混凝土框架的抗倒塌能力冲击载荷作用下不能准确估计这个方法因为组件失败的具体原因不考虑和分析都是简化了的。(3)在DS方法中,C列失败在很短的时间内由于汽车的快速暴力的影响。同时,一些动态响应产生损害的程度和成员立即毗邻C列,导致大量的垂直位移,崩溃可能出现。结果DS的方法更接近实际情况,和冲击载荷下的结构的崩溃过程可以准确地描述。
数据可用性
使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
本研究为重庆市自然科学基金资助(没有。cstc2019jcyj-msxmX0440),科学技术研究项目的重庆市教育委员会(批准号KJQN201901339)和科技项目重庆大学艺术与科学学院(号2017 rjj31和P2018JG13)。
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