• ISSN 0258-2724
  • CN 51-1277/U
  • EI Compendex
  • Scopus 收录
  • 全国中文核心期刊
  • 中国科技论文统计源期刊
  • 中国科学引文数据库来源期刊

钢管混凝土柱在冲击荷载作用下的损伤评估方法

王路明 刘艳辉 朱文凯 何庭君 康翔杰

王路明, 刘艳辉, 朱文凯, 何庭君, 康翔杰. 钢管混凝土柱在冲击荷载作用下的损伤评估方法[J]. 西南交通大学学报, 2020, 55(4): 796-803, 819. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20181037
引用本文: 王路明, 刘艳辉, 朱文凯, 何庭君, 康翔杰. 钢管混凝土柱在冲击荷载作用下的损伤评估方法[J]. 西南交通大学学报, 2020, 55(4): 796-803, 819. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20181037
WANG Luming, LIU Yanhui, ZHU Wenkai, HE Tingjun, KANG Xiangjie. Damage Assessment Method for Concrete-Filled Steel Tubular Columns under Impact Loading[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2020, 55(4): 796-803, 819. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20181037
Citation: WANG Luming, LIU Yanhui, ZHU Wenkai, HE Tingjun, KANG Xiangjie. Damage Assessment Method for Concrete-Filled Steel Tubular Columns under Impact Loading[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2020, 55(4): 796-803, 819. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20181037

钢管混凝土柱在冲击荷载作用下的损伤评估方法

doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20181037
基金项目: 国家自然科学基金(51378427);国家重点研发计划子课题(2016YFC0802205-9)
详细信息
    作者简介:

    王路明(1991—),男,博士研究生,研究方向为结构工程,E-mail:lmwangswjtu@outlook.com

    通讯作者:

    刘艳辉(1969—),女,副教授,博士,研究方向为结构工程,E-mail:yhliu@swjtu.edu.cn

  • 中图分类号: TU311.3

Damage Assessment Method for Concrete-Filled Steel Tubular Columns under Impact Loading

  • 摘要: 为了建立侧向冲击荷载作用下钢管混凝土柱的损伤评估方法,以钢管混凝土柱近支座落锤冲击试验为基础,结合数值模拟和理论分析,研究预加轴力、冲击体质量及冲击速度对钢管混凝土柱损伤程度的影响. 选取冲击体质量和速度作为损伤评估主控变量,建立基于剩余承载力的损伤评估指标D的计算式,并划分损伤评估等级. 以典型钢管混凝土结构柱为例,通过仿真试算拟合其损伤评估曲线,并建立损伤评估的图解方法. 研究结果表明:冲击体质量和速度对钢管混凝土柱损伤程度的影响显著,预加轴力的影响呈现出变异性;D=0.3,0.5,0.7时的损伤评估曲线将坐标平面划分为4个面域,分别代表钢管混凝土柱发生轻度损伤、中度损伤、重度损伤及破坏失效;根据冲击体质量和速度的组合点与损伤评估曲线的位置关系,可以快速判定钢管混凝土柱的损伤程度.

     

  • 图 1  试件CFST构造示意

    Figure 1.  Sketch of the CFST specimen

    图 2  落锤冲击试验装置

    Figure 2.  Device of drop weight tests

    图 3  试件时程曲线对比

    Figure 3.  Comparisons of time history curves

    图 4  落锤冲击过程

    Figure 4.  Processes of drop weight tests

    图 5  CFST试件有限元模型

    Figure 5.  Finite element model of the CFST specimen

    图 6  仿真结果与试验结果对比

    Figure 6.  Comparisons between simulation and test results

    图 7  不同参数下CFST构件的损伤形态

    Figure 7.  Damage patterns under different parameters of CFST

    图 8  CFST柱损伤评估曲线

    Figure 8.  Damage assessment curve of the CFST column

    表  1  CFST试件冲击工况

    Table  1.   Impact conditions of CFST specimens

    试件编号钢管壁厚/mm冲击高度/m冲击速度/(m•s−1初始动能/J预加轴力/kN
    GK1 2.0 3.0 7.67 7 938 0
    GK2 2.0 5.0 9.90 13 230 0
    GK3 2.0 7.0 11.71 18 522 0
    GK4 3.5 5.0 9.90 13 230 0
    GK5 3.5 5.0 9.90 13 230 200
    下载: 导出CSV

    表  2  不同参数下CFST构件的仿真结果

    Table  2.   Simulation results of CFST members with different parameters

    工况钢管壁
    厚/mm
    冲击体
    质量/kg
    冲击高
    度/m
    预加轴
    力/kN
    冲击力
    峰值/kN
    最大挠度
    $\delta_{\max} $/mm
    支座转角/(°)
    最大值最小值
    A1 3.5 270 6.0 0 545 38.5 11.0 3.0
    A2 3.5 270 6.0 200 554 37.4 11.0 3.0
    A3 3.5 270 6.0 500 557 37.3 11.0 3.0
    B1 2.0 270 3.0 200 344 31.2 9.0 3.0
    B2 2.0 270 5.0 200 427 51.1 14.0 4.0
    B3 2.0 270 7.0 200 443
    C1 2.0 100 5.0 200 414 18.2 5.0 1.0
    C2 2.0 200 5.0 200 422 37.3 11.0 3.0
    C3 2.0 300 5.0 200 427 55.4 15.0 5.0
     注:L为冲击点到支座的距离,L = 200 mm 时,支座转角取最大值;L = 700 mm 时,支座转角取最小值.
    下载: 导出CSV

    表  3  CFST柱损伤评估等级

    Table  3.   Damage assessment levels of CFST columns

    取值(0,0.3](0.3,0.5](0.5,0.7](0.7,1.0]
    评估等级轻度
    损伤
    中度
    损伤
    重度
    损伤
    破坏
    失效
    下载: 导出CSV

    表  4  典型CFST柱设计参数

    Table  4.   Design parameters of the typical CFST column

    参数有效长度/mm钢管壁厚/mm钢管外径/mm预加轴力/kN混凝土强度/MPa钢材强度/MPa长细比
    取值9002.011420043.453203.81
    下载: 导出CSV
  • HAN Linhai, LI Wei, BJORHOVDE R. Developments and advanced applications of concrete-filled steel tubular (CFST) structures:members[J]. Journal of Constructional Steel Research, 2014, 100: 211-228. doi: 10.1016/j.jcsr.2014.04.016
    FENG Peng, CHENG Shi, BAI Yu, et al. Mechanical behavior of concrete-filled square steel tube with FRP-confined concrete core subjected to axial compression[J]. Composite Structures, 2015, 123: 312-324.
    王新征, 李萍, 杨文喜, 等. 侧向冲击下钢管混凝土构件损伤演化数值分析[J]. 工程力学, 2013, 30(增刊1): 267-272.

    WANG Xinzheng, LI Ping, YANG Wenxi, et al. Damage evolution of concrete filled steel tube by lateral impact with numerical simulation[J]. Engineering Mechanics, 2013, 30(S1): 267-272.
    赵武超,钱江,张文娜. 冲击荷载下钢筋混凝土梁的性能及损伤评估[J]. 爆炸与冲击,2019,39(1): 111-122.

    ZHAO Wuchao, QIAN Jiang, ZHANG Wenna. Performance and damage evaluation of RC beams under impact loading[J]. Explosion and Shock Waves, 2019, 39(1): 111-122.
    刘飞,罗旗帜,蒋志刚. 低速冲击下RC梁的动态响应和破坏机理研究[J]. 工程力学,2015,32(5): 155-161.

    LIU Fei, LUO Qizhi, JIANG Zhigang. Dynamic responses and failure mechanism of RC beams to low velocity impact[J]. Engineering Mechanics, 2015, 32(5): 155-161.
    ZHAO Debo, YI Weijian, KUNNATH S K. Numerical simulation and shear resistance of reinforced concrete beams under impact[J]. Engineering Structures, 2018, 166: 387-401. doi: 10.1016/j.engstruct.2018.03.072
    SHARMA H, HURLEBAUS S, GARDONI P. Performance-based response evaluation of reinforced concrete columns subject to vehicle impact[J]. International Journal of Impact Engineering, 2012, 43: 52-62. doi: 10.1016/j.ijimpeng.2011.11.007
    SHARMA H, GARDONI P, HURLEBAUS S. Probabilistic demand model and performance-based fragility estimates for RC column subject to vehicle collision[J]. Engineering Structures, 2014, 74: 86-95. doi: 10.1016/j.engstruct.2014.05.017
    SHARMA H, GARDONI P, HURLEBAUS S. Performance-based probabilistic capacity models and fragility estimates for RC columns subject to vehicle collision[J]. Computer-Aided Civil and Infrastructure Engineering, 2015, 30(7): 555-569. doi: 10.1111/mice.12135
    AGRAWAL A K, LIU G Y, ALAMPALLI S. Effects of truck impacts on bridge piers[C]//Advanced Materials Research. Switzerland: Trans Tech Publications, 2013: 13-25.
    田力,朱聪. 碰撞冲击荷载作用下钢筋混凝土柱的损伤评估及防护技术[J]. 工程力学,2013,30(9): 144-150.

    TIAN Li, ZHU Cong. Damage evaluation and protection technique of RC columns under impulsive load[J]. Engineering Mechanics, 2013, 30(9): 144-150.
    LI Qingming, MENG Hui. Pulse loading shape effects on pressure-impulse diagram of an elastic-plastic,single-degree-of-freedom structural model[J]. Inter- national Journal of Mechanical Sciences, 2002, 44(9): 1985-1998. doi: 10.1016/S0020-7403(02)00046-2
    FALLAH A S, LOUCA L A. Pressure-impulse diagrams for elastic-plastic-hardening and softening single-degree-of-freedom models subjected to blast loading[J]. International Journal of Impact Engineering, 2007, 34(4): 823-842. doi: 10.1016/j.ijimpeng.2006.01.007
    SHI Yanchao, HAO Hong, LI Zhongxian. Numerical derivation of pressure-impulse diagrams for prediction of RC column damage to blast loads[J]. International Journal of Impact Engineering, 2008, 35(11): 1213-1227. doi: 10.1016/j.ijimpeng.2007.09.001
    田志敏,章峻豪,江世永. 钢板混凝土复合梁在爆炸荷载作用下的损伤评估研究[J]. 振动与冲击,2016,35(4): 42-48.

    TIAN Zhimin, ZHANG Junhao, JIANG Shiyong. Damage assessment for steel-concrete composite beams subjected to blast loading[J]. Journal of Vibration and Shock, 2016, 35(4): 42-48.
    闫秋实,杜修力. 典型地铁车站柱在爆炸荷载作用下损伤评估方法研究[J]. 振动与冲击,2017,36(1): 1-7.

    YAN Qiushi, DU Xiuli. Damage evaluation for a column of a typical subway station subjectedto internal blast loading[J]. Journal of Vibration and Shock, 2017, 36(1): 1-7.
    中华人民共和国住房和城乡建设部.钢管混凝土结构技术规范: GB 50936—2014[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2014.
    Comite Euro-International du Beton. CEB-FIP model code 1990[M]. Trowbridge: Redwood Books; 1993: 48-51.
    COWPER G R, SYMONDS P S. Strain-hardening and strain-rate effects in the impact loading of cantilever beams[R]. Providence: Brown University, 1957.
    宋家欢. 钢管混凝土柱冲击动力响应的等效单自由度方法研究[D]. 成都: 西南交通大学, 2017.
    师燕超. 爆炸荷载作用下钢筋混凝土结构的动态响应行为与损伤破坏机理[D]. 天津: 天津大学, 2009.
    钟善桐. 钢管混凝土结构[M]. 北京: 清华大学出版社, 2003: 141-142.
  • 加载中
图(8) / 表(4)
计量
  • 文章访问数:  671
  • HTML全文浏览量:  382
  • PDF下载量:  30
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2018-12-18
  • 修回日期:  2019-02-28
  • 网络出版日期:  2020-03-23
  • 刊出日期:  2020-08-01

目录

    /

    返回文章
    返回