中空夹层钢管混凝土在冲击荷载作用下的动力响应及其耐撞性评价

以新型发展的中空夹层钢管砼为研究对象，开展其轴向冲击试验、不同轴压力作用下的侧向冲击试验、静载破坏对比试验、有限元仿真分析和塑性动力学理论分析。借助落锤和空气动力枪装置实现冲击加载，完成不同工况下的冲击试验，监测构件全场变形和特征点截面处的动态应变，记录冲击力和轴向力时程曲线，通过调整试验参数，寻找构件临界冲击能，得到其残余变形形态；编制和开发仿真分析软件，完成计算，给出构件冲击破坏的全过程弹塑性物理图像，分析构件在冲击荷载作用下的损伤破坏和能耗机理及各因素对其的影响；建立合理的非线性理论分析模型，确定构件几何物理参数与临界冲击能及冲击力的函数关系，为该结构的安全性评价提供有效方法。目前，对传统实心钢管砼抗冲击性能的研究已取得了一些成果，对中空夹层钢管砼构件的耐撞性研究还未起步，但随着这种新型结构在桥梁、高耸建筑等工程中的大量使用，对其在冲击荷载作用下力学性能的研究具有重要价值。

中空夹层钢管混凝土（Concrete Filled Double Steel Tube，简称CFDST）是在传统实心钢管混凝土结构基础上发展起来的一种新型钢-混凝土组合结构。此类结构除具有传统实心钢管混凝土结构的优点外，还具有截面开展、抗弯刚度大等优点。在结构构件长细比或荷载偏心距较大的工程中，如，在高架桥的桥墩、海洋平台、高层建筑等结构的竖向承重构件，中空夹层钢管混凝土结构更易满足结构设计需求。这类长细比较大的结构构件，一旦遭受撞击，极易损伤和破坏，引起结构毁坏，造成巨大的生命和财产损失。在目前交通事故频发和恐怖袭击逐年上升的背景下，为了给中空夹层钢管混凝土结构遭受车辆撞击荷载作用下的结构设计提供技术参考，本项目以直形和锥形圆套圆中空夹层钢管混凝土柱为研究对象，利用实验研究和理论分析等手段，对其耐撞性进行了系统的研究。项目执行期内主要完成的工作有：.1）利用太原理工大学DHR9401型落锤实验机完成了31根圆套圆中空夹层钢管混凝土柱的侧向撞击实验。实验中观察了撞击能、轴压比、边界条件和试件锥度对冲击力和中空夹层钢管混凝土构件跨中挠度等耐撞性指标的影响。实验过程中记录了试件的冲击力（F）时程曲线、关键点处的纵向应变（ε）时程曲线、跨中挠度（Δ）时程曲线，并获得到了试件残余变形。.2）利用ABAQUS有限元软件，建立了侧撞作用下三种不同边界条件中空夹层钢管混凝土柱动力响应的有限元理论分析模型。通过与已有实验结果的对比，验证了有限元分析模型的有效性。在此基础上进行了其动力响应的全过程分析，并开展了物理参数、几何参数和荷载参数的分析，讨论了各参数对其动力响应过程的影响敏感度和影响规律。.3）以实际高层底层柱和桥墩为例，采用ABAQUS有限元软件，建立了汽车撞击两端固定和一端固定一端简支中空夹层钢管混凝土柱的理论分析模型。通过赋予车辆不同的质量和速度设计了9种典型的撞击工况，并对两种边界条件的中空夹层结构破坏情况进行了分析，提出了其四种典型的破坏模态和三个评价标准，给出了车辆撞击下中空夹层钢管混凝土柱耐撞性评估方法。.通过本项目的研究，探明了中空夹层钢管混凝土结构耐撞性能并提出了其耐撞性的评价方法。圆满完成了本项目的预期内容和目标。