CFRP-混凝土-钢管组合结构在低速侧向撞击下的动力响应

刘烨 王蕊 李志刚

刘烨, 王蕊, 李志刚. CFRP-混凝土-钢管组合结构在低速侧向撞击下的动力响应[J]. 爆炸与冲击, 2018, 38(4): 759-767. doi: 10.11883/bzycj-2016-0349
引用本文: 刘烨, 王蕊, 李志刚. CFRP-混凝土-钢管组合结构在低速侧向撞击下的动力响应[J]. 爆炸与冲击, 2018, 38(4): 759-767. doi: 10.11883/bzycj-2016-0349
LIU Ye, WANG Rui, LI Zhigang. Finite element analysis of CFRP-concrete-steel composite structure under low velocity lateral impact loading[J]. Explosion And Shock Waves, 2018, 38(4): 759-767. doi: 10.11883/bzycj-2016-0349
Citation: LIU Ye, WANG Rui, LI Zhigang. Finite element analysis of CFRP-concrete-steel composite structure under low velocity lateral impact loading[J]. Explosion And Shock Waves, 2018, 38(4): 759-767. doi: 10.11883/bzycj-2016-0349

CFRP-混凝土-钢管组合结构在低速侧向撞击下的动力响应

doi: 10.11883/bzycj-2016-0349
基金项目: 

国家自然科学基金项目 51378290

详细信息
    作者简介:

    刘烨(1990-), 男, 硕士研究生

    通讯作者:

    王蕊, wangrui@tyut.edu.cn

  • 中图分类号: O383

Finite element analysis of CFRP-concrete-steel composite structure under low velocity lateral impact loading

  • 摘要: 采用有限元软件ABAQUS建立了碳纤维增强聚合物(CFRP)-混凝土-钢管组合结构在低速侧向撞击作用下的有限元模型。模型的计算结果与试验结果吻合良好,能够较好地模拟CFRP-混凝土-钢管在侧向撞击下的力学特性。利用该模型,对试件在冲击荷载作用下的动力响应全过程进行分析,采用正交分析法研究了冲击高度、空心率等7种因素对试件冲击力峰值、冲击力平台值和跨中残余挠度的影响。结果表明:冲击高度(冲击能量)是影响冲击力峰值的主要因素;空心率是影响冲击力平台值的主要因素,并且当空心率在0.3~0.7之间时,试件的抗撞击性能随着空心率的提高而逐渐增强;冲击后结构的跨中残余挠度由冲击高度、空心率、CFRP层数、CFRP方向等因素共同影响。
  • 图  1  试件和试验装置示意(单位:mm)

    Figure  1.  Illustration of specimen and test set-up (Unit: mm)

    图  2  试验与模拟变形模态对比

    Figure  2.  Comparison between test and simulated deformation modes

    图  3  试验与模拟冲击力时程曲线对比

    Figure  3.  Comparison between test and simulation of impact force time-history

    图  4  试验与模拟跨中挠度时程曲线对比

    Figure  4.  Comparison between test and simulation of mid-span deflection time-history

    图  5  全过程分析

    Figure  5.  Full-range analysis

    图  6  各因素对冲击力峰值的影响

    Figure  6.  Influence of various factors on peak value of impact force

    图  7  各因素对冲击力平台值的影响

    Figure  7.  Influence of various factors on platform value of impact force

    图  8  各因素对跨中残余挠度的影响

    Figure  8.  Influence of various factors on mid-span residual deflection

    表  1  试件信息

    Table  1.   Specimen information

    试件 截面尺寸/(mm×mm) n h/m E0/kJ Fs Δr
    D0×t0 Di×ti 模拟/kN 试验/kN 比值 模拟/mm 试验/mm 比值
    F1L ∅114×0.17 ∅50×1.8 1 0.25 0.50 23.3 26.8 0.87 17.64 18.28 0.97
    F1M ∅114×0.17 ∅50×1.8 1 0.50 1.00 23.4 24.0 0.98 38.10 38.34 0.99
    F1H ∅114×0.17 ∅50×1.8 1 1.00 1.99 23.2 23.8 0.98 79.18 71.57 1.10
    F2L ∅114×0.34 ∅50×1.8 2 0.25 0.50 24.9 24.3 1.02 16.96 19.11 0.89
    F2M ∅114×0.34 ∅50×1.8 2 0.50 1.00 26.3 24.7 1.07 33.92 35.75 0.95
    F2H ∅114×0.34 ∅50×1.8 2 1.00 1.99 27.1 28.4 0.95 71.08 70.88 1.00
    F3L ∅114×0.51 ∅50×1.8 3 0.25 0.50 26.7 32.3 0.83 17.01 18.77 0.91
    F3M ∅114×0.51 ∅50×1.8 3 0.50 1.00 29.7 37.0 0.80 32.77 34.75 0.94
    F3H ∅114×0.51 ∅50×1.8 3 1.00 1.99 30.5 35.7 0.85 64.28 64.56 1.00
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    表  2  正交表

    Table  2.   Orthogonal table

    试验 h/m ψ n θ/(°) fi/MPa fc/MPa Di/ti Fmax/kN Fs/kN Δr/mm
    1 0.25 0.3 1 0 235 30 20 30 25 7.5
    2 0.25 0.5 2 45 345 50 40 35 28 15.8
    3 0.25 0.7 3 90 420 70 60 45 43 9.1
    4 0.50 0.3 1 45 345 70 60 54 12 82.0
    5 0.50 0.5 2 90 420 30 20 52 50 15.0
    6 0.50 0.7 3 0 235 50 40 51 49 6.1
    7 1.00 0.3 2 0 420 50 60 68 63 8.9
    8 1.00 0.5 3 45 235 70 20 90 45 40.1
    9 1.00 0.7 1 90 345 30 40 53 46 33.2
    10 0.25 0.3 3 90 345 50 20 32 24 27.5
    11 0.25 0.5 1 0 420 70 40 32 30 46.3
    12 0.25 0.7 2 45 235 30 60 33 31 13.4
    13 0.50 0.3 2 90 235 70 40 56 17 6.8
    14 0.50 0.5 3 0 345 30 60 49 48 6.0
    15 0.50 0.7 1 45 420 50 20 100 92 5.5
    16 1.00 0.3 3 45 420 30 40 84 21 97.7
    17 1.00 0.5 1 90 235 50 60 51 18 100.9
    18 1.00 0.7 2 0 345 70 20 86 84 9.0
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    表  3  冲击力峰值极差分析结果

    Table  3.   Range analysis for peak value of impact force

    Ki 因素
    h ψ n θ fi fc Di/ti
    K1 207 324 320 316 311 301 390
    K2 362 309 330 396 309 337 311
    K3 432 368 351 289 381 363 300
    R 225 59 31 107 72 62 90
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    表  4  冲击力平台值极差分析结果

    Table  4.   Range analysis for platform value of impact force

    Ki 因素
    h ψ n θ fi fc Di/ti
    K1 181 162 223 299 185 221 320
    K2 268 219 273 229 242 274 191
    K3 277 345 230 198 299 231 215
    R 96 183 50 101 114 53 129
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    表  5  跨中残余挠度极差分析结果

    Table  5.   Range analysis for mid-span residual deflection

    Ki 因素
    h ψ n θ fi fc Di/ti
    K1 119.6 230.4 275.4 83.8 174.8 172.8 104.6
    K2 121.4 224.1 130.1 254.5 173.5 244.8 205.9
    K3 289.8 76.3 186.5 192.5 182.5 193.3 220.3
    R 170.2 154.1 145.3 170.7 9.0 72.0 115.7
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出版历程
  • 收稿日期:  2016-11-16
  • 修回日期:  2017-02-25
  • 刊出日期:  2018-07-25

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