基于数值模拟的钢筋混凝土矩形墩柱爆炸响应及破坏形态研究

论文摘要

由于战争和偶然事故引起的爆炸冲击荷载对建筑物结构的危害日趋严重,公路桥梁作为国民基础设施的重要组成部分,也受到同样的威胁。目前桥梁结构在爆炸冲击荷载作用下的动力响应及破坏形态研究还处于起步阶段。钢筋混凝土墩柱是桥梁工程中广泛应用的基本承重构件之一,研究其在爆炸荷载作用下的动力响应及破坏形态十分必要。首先,论文阐述了爆炸现象、爆炸冲击波基本理论,以及爆炸空气冲击波计算方法;提出了结构抗爆分析的特点及方法。其次,论文从钢筋与混凝土材料特性出发,分别讨论了两种材料单轴受力时的本构关系以及两种材料在动力冲击荷载下的材料特性,给出了混凝土在冲击荷载作用下的断裂破坏标准;以波动理论、冲量理论(动量守恒理论)和能量守恒理论三个经典力学理论为基础,分析了爆炸荷载作用下RC墩柱的动力反应特性;提出了RC墩柱在爆炸荷载作用下剪切破坏与弯曲破坏的判定标准。最后,论文基于钢筋混凝土有限元基本理论,采用大型有限元ANSYS计算软件,建立了钢筋混凝土矩形墩柱的有限元模型,应用ANSYS动力分析程序中的谐波响应分析模块模拟爆炸脉冲荷载,对钢筋混凝土矩形墩柱在爆炸荷载作用下动力响应及破坏形态进行了系统的分析;同时,分别研究了爆速、爆炸荷载作用位置、混凝土强度、纵向钢筋以及箍筋配筋率等基本参数对钢筋混凝土矩形墩柱爆炸响应及破坏形态的影响,得出了一些有益的结论。论文的研究成果可为桥梁结构的抗爆设计提供技术支持。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 结构抗爆设计研究发展的历史和现状
• 1.3 本文研究的意义与主要内容
• 第二章 爆炸基本理论与结构抗爆设计分析方法
• 2.1 爆炸现象及爆炸冲击波概述
• 2.1.1 爆炸现象概述
• 2.1.2 爆炸冲击波的形成和特性
• 2.2 爆炸空气冲击波计算方法
• 2.2.1 爆炸空气冲击波的衰减特性
• 2.2.2 爆炸空气冲击波的物理参数
• 2.2.3 基于爆炸相似定律的爆炸空气冲击波计算方法
• 2.3 结构抗爆设计分析方法综述
• 2.3.1 结构抗爆分析的特点
• 2.3.2 结构抗爆分析的方法
• 2.4 数值模拟方法在抗爆研究分析中的应用
• 2.4.1 数值模拟方法在抗爆研究分析中的地位
• 2.4.2 爆炸力学中数值模拟技术的发展现状
• 2.5 本章小结
• 第三章 爆炸荷载作用下桥梁钢筋混凝土墩柱动力响应分析理论
• 3.1 钢筋混凝土结构有限元分析理论
• 3.1.1 钢筋混凝土结构有限元分析基本原理
• 3.1.2 混凝土与钢筋的本构关系
• 3.1.3 钢筋混凝土结构有限元分析模型
• 3.2 钢筋混凝土材料在动力荷载作用下的材料性能研究
• 3.2.1 金属材料在动力荷载作用下的材料性能研究
• 3.2.2 混凝土材料在动力荷载作用下的材料性能研究
• 3.2.3 混凝土在冲击荷载作用下的断裂破坏标准
• 3.3 爆炸冲击荷载作用下RC 墩柱动力反应的力学理论
• 3.4 钢筋混凝土墩柱在动力荷载下的破坏形态
• 3.4.1 钢筋混凝土墩柱的弯曲破坏标准
• 3.4.2 钢筋混凝土墩柱的剪切破坏标准
• 3.4.3 RC 墩柱在爆炸荷载作用下破坏形态的判定
• 3.5 本章小结
• 第四章 钢筋混凝土墩柱在爆炸荷载作用下的有限元建模分析
• 4.1 有限元分析软件
• 4.1.1 ANSYS 软件发展概况及计算能力
• 4.1.2 ANSYS 关于结构动力学的分析
• 4.2 爆炸荷载在ANSYS 中的输入
• 4.2.1 爆炸荷载的简化
• 4.2.2 ANSYS 中对于等效爆炸荷载的模拟
• 4.3 钢筋混凝土墩柱ANSYS 有限元模型
• 4.3.1 模型实例
• 4.3.2 ANSYS 计算模型
• 4.4 钢筋混凝土矩形墩柱爆炸响应及破坏形态的影响参数分析
• 4.4.1 加载速率对于RC 墩柱爆炸响应的影响
• 4.4.2 加载位置对于RC 墩柱爆炸响应的影响
• 4.4.3 混凝土强度对于RC 墩柱爆炸响应的影响
• 4.4.4 配筋率对于RC 墩柱爆炸响应的影响
• 4.5 本章小结
• 第五章 结论与建议
• 5.1 结论
• 5.2 进一步研究展望
• 参考文献
• 致谢