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采用单摆和垂直轨道装置进行了混凝土块体对心碰撞试验。研究参数包括质量比、初始相对碰撞速度、绝对质量和相对加速度。利用LS-DYNA有限元程序数值再现试验过程。在此基础上选取初始碰撞夹角、有效碰撞面积和混凝土抗压强度为研究参数,进行了补充数值试验。基于试验和补充数值试验结果,经回归分析得到了混凝土块体对心碰撞力学模型。此外,考虑到试验中参数的变化,对试验进行了扩展数值模拟。采用模型得到的结果与扩展数值模拟结果吻合良好。
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振 动 与 冲 击
第26卷第10期 JOURNAL OF VIBRATION AND SHOCK Vol.26 No.10 2007
描述混凝土块体间碰撞性能的冲量模型
基金: 国家自 然科学 基金 资助项 目(50578116)
收稿日期: 2006 - 12 - 14 修改稿收到日期:2007 - 03 - 12
第一作者 侯 健 男,博士生,1980 年 3 月生
侯 健, 林 峰, 顾祥林
(同济大学 建筑工程系,上海 200092)
摘 要:
采用单摆和垂直轨道装置进行了混凝土块体对心碰撞试验。研究参数包括质量比、初始相对碰撞速度、
绝对质量和相对加速度。利用 LS-DYN A 有限元程序数值再现试验过程。在此基础上选取初始碰撞夹角、有效碰撞面积
和混凝土抗压强度为研究参数,进行了补充数值试验。基于试验和补充数值试验结果,经回归分析得到了混凝土块体对
心碰撞力学模型。此外,考虑到试验中参数的变化,对试验进行了扩展数值模拟。采用模型得到的结果与扩展数值模拟
结果吻合良好。
关键词: 混凝土块体;碰撞;单摆试验装置;竖直轨道试验装置;LS - D YNA ;冲量模型
中图分类号:TU375 文献标识码:A
结构倒塌分析在结构抗震设计、灾害预测、事故原
因分析、旧结构的拆除等方面具有重要的应用意义。
结构倒塌过程中,结构中部分构件或构件的一部分可
能会脱离主体结构而独立运动。脱离构件或块体运动
过程中可能会发生碰撞
[1 ]
。碰撞是进入结构倒塌阶段
块体间相互作用的主要方式。忽略碰撞问题直接的后
果就是两个独立运动的块体,如果发生碰撞,也互不影
响,而是相互“穿心而过”,这显然是不可想象的。
考虑碰撞作用,需要根据碰撞前块体质量、速度和
材料性能等信息,确定碰撞后块体运动状态。然而,目
前国内外文献中还没有发现基于试验提出的合理的混
凝土块体碰撞模型。在结构倒塌分析中一些学者忽略
了碰撞作用
[2][3]
,也有一些学者采用近似方法,如准静
态接触分析法
[4 ]
、动能损耗系数法
[1] [5][6]
和碰撞恢复
因数法
[7 ]
等。第一种方法忽略了碰撞时的动态效应,
后两种方法属动态分析法,对于任何碰撞块体间的碰
撞,采用确定不变的动能损耗系数或碰撞恢复因数,以
确定碰撞块体碰撞后运动状态。这些方法的正确性有
待试验验证。
针对目前混凝土碰撞研究的不足,本文采用单摆
和垂直轨道装置试验研究了混凝土块体碰撞,并进行
了数值模拟。在此基础上进行了补充数值试验。基于
试验和补充数值试验结果并经过回归分析,提出了以
碰撞冲量 形式表示的混凝土块体面面对心碰撞力学
模型。
1 试验设计
设计无配筋混凝土立方体共四组 30 对,研究参数
包括质量比、初始相对碰撞速度、绝对质量和有无重力
加速度。混凝土 28 天养护后进行材料性能试验,得到
混凝土棱柱体抗压强度为 32.3MPa,弹性模量为
3.09 ×10
4
M Pa,材料密度为 2 400kg/m
3
。试验分组如
表 1,编号阴影的试验为扩展数值试验,其中被碰撞块
体初始速度均为零,表中速度均为碰撞块体初始碰撞
速度。
图 1 示意了 A 、B 和 C 组试验的混凝土块体试件。
预埋的钢板用于加速度传感器的拧装。阴影面为碰撞
面。D 组试件与图中碰撞块体类似,只是将钢板预埋
在预留孔道所在上表面(碰撞块体) 或下表面(被碰撞
块体)。
2 试验装置
试验在上海交通大学振动、冲击、噪声国家重点实
验室进行。根据不同的试验内容采用了两种试验装
置,即单摆装置和垂直轨道装置。
A ~C 组试验采用单摆装置,在块体运动方向上碰
撞时无相对加速度。D 组试验采用垂直轨道装置,以
调查在块体运动方向上碰撞时有无相对加速度对碰撞
结果的影响。
试验装置如图 2 所示
。
(a) 碰撞块体 (b) 被碰撞声体
图1 A、B和C组试件示意图
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weixin_38628211
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