【摘要】：近年來(lái)恐怖襲擊事件頻發(fā),使得建筑工程結(jié)構(gòu)在正常使用期間可能遭受爆炸、沖擊等偶然荷載作用;除此之外,在地震、強(qiáng)風(fēng)等作用下,相鄰建筑間的碰撞致?lián)p問(wèn)題及隔震層的限位碰撞等都促使工程結(jié)構(gòu)的抗沖擊防護(hù)成為了研究的熱點(diǎn)。目前對(duì)于建筑領(lǐng)域沖擊防護(hù)的研究多集中在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗沖擊性能方面,如結(jié)構(gòu)圓鋼管和鋼管混凝土等,針對(duì)建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域適用的耗能構(gòu)件以及新型抗沖擊構(gòu)件的研究還較少。鑒于以上背景,本文提出將耗能特性優(yōu)良的硬質(zhì)聚氨酯泡沫(RPUF)與建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域最常使用的薄壁圓鋼管相結(jié)合形成復(fù)合材料構(gòu)件,對(duì)其短柱的軸壓和軸向沖擊性能以及長(zhǎng)柱構(gòu)件的側(cè)向沖擊性能展開(kāi)研究,以期獲得高效吸能、具有廣泛工程應(yīng)用價(jià)值的新型復(fù)合防護(hù)構(gòu)件。本文選用密度為300kg/m~3的硬質(zhì)聚氨酯泡沫和建筑結(jié)構(gòu)中最常使用的Q235直縫焊管,通過(guò)自發(fā)泡的方式制備了RPUF填充圓鋼管試件,并對(duì)其開(kāi)展試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究,開(kāi)展的主要研究工作包括下述幾個(gè)部分:(1)RPUF填充圓鋼管短柱構(gòu)件的軸壓性能研究開(kāi)展了6組RPUF填充圓鋼管短柱構(gòu)件的軸壓試驗(yàn),對(duì)比分析了RPUF填充圓鋼管和空鋼管在軸壓荷載條件下的耗能特性。建立了RPUF填充圓鋼管短柱構(gòu)件的軸壓有限元模型,開(kāi)展參數(shù)分析,討論了管徑、壁厚以及試件高度對(duì)軸壓耗能能力的影響,通過(guò)理論分析建立了短柱構(gòu)件的平均壓縮力公式。(2)RPUF填充圓鋼管短柱構(gòu)件的軸向沖擊性能研究通過(guò)8組RPUF填充圓鋼管短柱構(gòu)件的軸向沖擊試驗(yàn),分析了其在沖擊荷載與軸壓荷載條件下的力學(xué)性能差異,通過(guò)有限元模擬分析了管徑、壁厚、試件高度及沖擊速度等因素對(duì)軸向沖擊荷載條件下RPUF短柱構(gòu)件耗能能力的影響。(3)RPUF填充圓鋼管長(zhǎng)柱構(gòu)件的側(cè)向沖擊性能研究開(kāi)展了34組RPUF填充圓鋼管和18組空鋼管長(zhǎng)柱構(gòu)件的側(cè)向沖擊試驗(yàn),對(duì)比分析了RPUF填充管和空鋼管的側(cè)向沖擊性能差異,總結(jié)了RPUF填充圓鋼管長(zhǎng)柱構(gòu)件側(cè)向沖擊下的四種破壞模式;結(jié)合有限元手段,系統(tǒng)分析了錘頭形式、徑厚比、跨徑比、沖擊位置、沖擊角度以及沖擊速度等參數(shù)對(duì)RPUF填充圓鋼管長(zhǎng)柱構(gòu)件側(cè)向沖擊力學(xué)性能的影響。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TU398.9
【圖文】：

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文2.2.2 材性試驗(yàn)材料的基本力學(xué)性能是研究復(fù)合材料構(gòu)件的基礎(chǔ)，因此，文章在研究 RPUF填充圓鋼管的軸壓、軸向沖擊及側(cè)向沖擊性能之前，首先開(kāi)展了硬質(zhì)聚氨酯泡沫和不同壁厚圓鋼管的材性試驗(yàn)。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 8813-2008[71]的要求，制取了 100mmx100mmx50mm 的RPUF 材性試塊，如圖 2-3 a) 所示，進(jìn)行單軸靜力壓縮試驗(yàn)，加載速度選用 2mm/min，加載過(guò)程如圖 2-3 b)。共開(kāi)展了 3 組 RPUF 的軸壓試驗(yàn)，結(jié)果的離散性較小，體現(xiàn)了所制備的硬質(zhì)聚氨酯泡沫良好的穩(wěn)定性。對(duì)三組試驗(yàn)結(jié)果取均值得到 RPUF 的單軸壓縮試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖 2-4 b)所示，開(kāi)始時(shí)，應(yīng)力應(yīng)變呈線性關(guān)系，如AB 段，為硬質(zhì)聚氨酯泡沫的彈性段，在應(yīng)變達(dá)到 5%左右時(shí)，應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)入一個(gè)相對(duì)平緩的變化階段，這一階段稱為平臺(tái)段，即圖中的 BC 段，平臺(tái)段之后的區(qū)域稱為硬質(zhì)聚氨酯泡沫的密實(shí)段（CD 段），這一階段，聚氨酯泡沫胞壁基本被壓潰而密實(shí)，應(yīng)力隨應(yīng)變的增長(zhǎng)而急劇增大。

關(guān)[12]， f為泡沫材料的絕對(duì)密度，通過(guò)實(shí)測(cè)得到本文所用的聚氨酯泡沫的密度 337kg/m3, s為泡沫基材的密度，聚氨酯彈性體的密度一般為 1200kg/m3[15]，Rei其文章中通過(guò)泡沫材料在靜壓下得到應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系獲得其材料的彈性模量[16]，種方法因其簡(jiǎn)易高效而被廣泛采用，泡沫材料的屈服強(qiáng)度 f定義為應(yīng)變?yōu)?10%對(duì)應(yīng)的軸壓應(yīng)力值，密實(shí)區(qū)開(kāi)始時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變定義為密實(shí)應(yīng)變閾值 l，如圖 2-4 b C 點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值，通常取應(yīng)力為 2 f對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值[16]。通過(guò)聚氨酯泡沫的準(zhǔn)靜態(tài)軸壓試驗(yàn)，得到了本文所使用的 RPUF 的主要材性數(shù)如表 2-1 所示， f為 RPUF 的泊松比，近似為 0[32]。表 2-1 硬質(zhì)聚氨酯泡沫材料性能參數(shù) f/(kg/m3) s/(kg/m3) Ef/MPa f f/MPa l337.0 1200 337 0 5.8 0.49按照 GB/T 228-2010[72]和 GB/T 2975-1998[73]的要求進(jìn)行了鋼管單軸拉伸試驗(yàn)載速率 2mm/min，試驗(yàn)過(guò)程和拉伸斷裂后試樣如圖 2-5 所示，不同壁厚鋼管的性數(shù)據(jù)如表 2-2 所示，E 為彈性模量， 為鋼材的泊松比， y為屈服強(qiáng)度， u為限強(qiáng)度， u為極限應(yīng)變。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文徑均為 60mm，壁厚尺寸包括 1.5mm，2.0mm 和 2.5mm 三種，短柱試件的總加工高度為 150mm，其中 50mm 為錨固高度，軸壓試件如圖 2-6 所示，詳細(xì)幾何參數(shù)見(jiàn)表 2-3。軸壓過(guò)程中為實(shí)現(xiàn)短柱試件底部的完全固支約束，并保證軸壓試驗(yàn)過(guò)程的安全進(jìn)行，采用圖 2-7 所示夾具對(duì)短柱構(gòu)件進(jìn)行錨固。

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