本文是一篇工程硕士论文，本文是一篇土木工程论文，本文基于 ABAQUS 有限元分析软件，建立了圆中空夹层钢管混凝土（Concrete Filled Double Skin Steel Tubes，CFDST）构件在轴力与撞击耦合作用下的精细化有限元分析模型，研究了轴压比作用下圆 CFDST 构件抗撞工作机理及影响其抗撞性能的主要因素。采用等效单自由度法计算了圆中空夹层钢管混凝土构件在撞击作用下的位移响应。
第一章 绪论
1.1 选题背景及意义
1.1.1 中空夹层钢管混凝土的特点及应用
中空夹层钢管混凝土（Concrete Filled Double Skin Steel Tubes，CFDST），是由两个同心放置的内、外钢管与夹芯混凝土形成的钢-混组合构件。常见的中空夹层钢管混凝土构件截面类型主要有圆套圆、圆套方、方套圆、方套方，如图 1-1 所示。
众所周知，钢管混凝土具有较高的承载力，较好的塑性、韧性、耐火性能及抗撞性能，同时制作施工方便、经济效益好[1]。中空夹层钢管混凝土不仅继承了实心钢管混凝土的一系列优越性能，且由于内钢管取代部分核心混凝土形成特殊的内部空心截面形式，还具有截面开展、抗弯刚度大、自重轻及抗震性能好等优点。因此在桥墩、建筑物中的主要支柱、风力发电以及海洋平台支架柱等工程领域中，中空夹层钢管混凝土有其潜在的应用优势[2]。上世纪 90 年代，日本在新干线高架桥桥墩采用中空夹层钢管混凝土，取得了较好的效果[3]。在我国，中空夹层钢管混凝土已经在输电线路塔中得到普遍应用，如图 1-2 所示。目前我国已经颁布了中空夹层钢管混凝土结构设计规程指导其在实际工程中的应用，如《输电线路中空夹层钢管混凝土杆塔技术规范》（T/CEC 185-2018）[4]和《中空夹层钢管混凝土结构技术规程》（T/CCES 7-2020）[5]。
1.2 相关课题研究现状
1.2.1 中空夹层钢管混凝土抗撞性能研究现状
为研究中空夹层钢管混凝土在撞击荷载下的力学性能，课题组对外包碳素钢、不锈钢、FRP 及高强钢中空夹层钢管混凝土的抗撞性能进行了试验研究与有限元分析。
曹浩煜（2014）[10]通过 ABAQUS 软件分析了圆中空夹层钢管混凝土柱在汽车碰撞作用下的抗剪性能，考虑了 3 类车辆简化模型和 3 种碰撞速度。分析结果表明圆CFDST 柱的动态抗剪承载力与撞击车辆的速度和质量成正比。
Wang 等（2015）[11]利用落锤装置对 31 个中空夹层钢管混凝土构件进行了侧向撞击试验，主要考察参数为构件形态、边界条件、轴力及撞击能量。相比于双层空心钢管构件（HDST），CFDST 构件在撞击荷载下表现出良好的延性；相同撞击能量下，CFDST 构件吸收的撞击能量约为 HDST 构件的 1.2~1.9 倍。CFDST 构件抗撞性能受轴力、边界条件及撞击能量影响较大。在试验基础上，Wang 等（2016）[12]采用 ABAOUS软件建立了 CFDST 构件在撞击荷载下的有限元分析模型，进行了撞击全过程及参数分析。提出了动态增长因子 DIF 的计算公式，重点分析了套箍系数对 DIF 的影响。
Wang 等（2015）[13]对 24 个外包 FRP 中空夹层钢管混凝土构件进行了侧向撞击试验，讨论了撞击能量和 FRP 数量层对该类构件抗撞击性能的影响。结果表明，FRP 层数对构件撞击力和侧向变形的影响较小。
辜应卓等（2016）[14]利用 ABAQUS 有限元软件对高强钢中空夹层钢管混凝土柱抗撞性能进行了分析，考察参数为钢材等级及轴压比。相比于 Q235 普通钢 CFDST 构件，相同撞击能量下 Q690 高强钢构件单位变形耗能增大约 180%，具有更好的抗撞击性能；轴力对构件抗撞性能起到有利影响的范围减小约 24%。
王丙斌等（2018）[15]在试验基础上通过 ABAQUS 软件研究了空心率对外包不锈钢中空夹层钢管混凝土柱抗撞击性能的影响，分析结果建议工程应用中外包不锈钢CFDST 柱的空心率应控制在 0.6 以内。
史艳莉等（2019）[16]对 8 个空心率为 0.69 的方套圆中空夹层钢管混凝土构件进行了侧向撞击试验，试验参数包括撞击高度、边界条件以及轴压比（0~0.3）。试验结果表明，构件的破坏模式以局部凹陷变形为主；轴力的存在加速了撞击过程，削弱了构件的抗撞性能。史艳莉等（2019）[17]通过有限元分析得出，在截面外径及空心率相同的条件下，相比于圆套圆 CFDST 构件，圆套方的抗撞性能更加优越。
第二章 考虑轴力影响的 CFDST 抗撞有限元模型的建立及验证
2.1 引言
中空夹层钢管混凝土撞击试验，撞击过程在几十毫秒内完成，属于高速动力学过程。因此试验研究较难分析构件的微观特征与变化过程，且撞击试验费时费力、试件参数有限。有限元数值模拟方法能够高效准确地模拟构件受撞全过程，深入分析构件撞击力、挠度、能量耗散以及材料相互作用等工作机理变化情况，且可以进行广泛的参数分析，明确各参数对构件抗撞性能的影响。因此有限元数值模拟方法是对试验研究的良好补充。
为此，本章基于 ABAQUS 有限元软件分别建立中空夹层钢管混凝土构件在撞击及轴力-撞击耦合作用下的数值分析模型。之后基于相关试验结果，对中空夹层钢管混凝土有限元模型的可靠性和精度进行验证。
轴力是影响构件撞击性能的重要因素。撞击试验中为防止轴力的卸载，先通过碟形弹簧施加轴力，待轴力稳定后通过落锤施加撞击荷载。为真实地模拟轴力的影响，有限元数值模拟中须先对构件施加轴力，随后施加撞击荷载，且保证轴力在撞击过程不发生卸载。模型中轴力为静力荷载，采用 ABAQUS/Standard 模块计算，ABAQUS软件无法进行隐式算法（Static, General）与动力显示算法（Dynamic, Explicit）直接衔接计算，因此采用顺序耦合的方法，即将隐式算法计算后的结果写入文件再导入撞击模型进行动力显示分析计算。
2.2模型建立
2.2.1 侧向撞击模型建立
ABAQUS/Explicit 显式动力学模块基于显示积分求解技术进行计算，通过较小的计算增量步确保其计算精度，适合于求解高速、瞬时动力学问题，如撞击、爆炸问题等。中空夹层钢管混凝土构件受撞属于高速动力学问题，整个撞击过程非常短暂。因此采用 ABAQUS/Explicit 显式动力学模块建立了中空夹层钢管混凝土侧向撞击模型。
内、外钢管均采用四节点减缩积分三维壳单元 S4R，混凝土采用八节点减缩积分三维实体单元 C3D8R。撞击试验中落锤刚度大几乎不发生变形，落锤真实形状对模拟计算结果影响很小，因此将落锤简化为离散刚性平面，采用四节点三维壳单元 R3D4模拟。
网格密度是影响有限元分析模型计算精度和效率的重要因素。为保证计算精度同时提高计算效率，通过网格敏感性分析确定了横截面网格尺寸为外钢管直径的 1/10，长度方向网格尺寸为 40mm，并在撞击区域网格进行局部加密，加密区长度与网格尺寸分别为 400mm 与 20mm。
模型中简化了试验边界条件，将参考点与内外钢管、混凝土端面耦合，通过参考点施加约束模拟不同边界条件。落锤刚性平面同样设置参考点，约束其除 Y 方向的所有自由度，赋予落锤参考点质量与速度，从而实现撞击荷载的施加。为节省计算资源，将落锤初始位置设置在构件上方 2mm 处。
内外钢管与混凝土、落锤与外钢管的界面接触采用通用接触。接触属性为法线方向采用硬接触，切向方向采用考虑摩擦系数的库伦摩擦接触。其中，钢管与落锤间的摩擦系数取 0，钢管与混凝土间的摩擦系数取 0.6。
第三章 轴压比对圆中空夹层钢管混凝土抗撞性能的影响分析 ...................... 25
3.1 引言 ......................... 25
3.2 工作机理分析 ........................ 25
第四章 撞击作用下 CFDST 构件等效单自由度模型 ........................... 43
4.1 引言 ................................. 43
4.2 等效单自由度体系 .......................... 43
第五章 结论与展望 ................................ 59
5.1 结论 ....................................... 59
5.2 展望 ................................... 60
第四章 撞击作用下 CFDST 构件等效单自由度模型
4.2 等效单自由度体系
4.2.1 运动方程的建立
如图 4-1，单自由度（Single-Degree-of-Freedom，SDOF）体系假设所考虑的结构只有单一的集中质量 M，由于受到约束作用，只能沿一个固定方向运动，此情况下该体系只有一个单自由度，其反应可用单一的位移量 z(t)表示。
大多数实际体系的动力分析，可归入等效单自由度体系。对于具有分布质量和分布刚度的构件，当其受到集中动力荷载作用时，假设只允许发生单一形式或形状的位移，从而使构件的表现与单自由度体系一致，此时在数学意义上该构件只有一个单自由度；如果确定了构件的位移形状，即可采用构件的位移最大点来描述整个构件的运动。当求得与该自由度关联的等效质量、刚度及荷载时，就可以采用与单自由度体系完全相同的方法准确的分析该构件的动力响应[61]。这种方法称之为等效单自由度法。分析中需要保证不同时刻构件最大位移响应点的加速度、速度、位移、应变能、动能等参数与等效体系相等，即可保证等效单自由度法的精度。
第五章 结论与展望
5.1 结论
本文基于 ABAQUS 有限元分析软件，建立了圆中空夹层钢管混凝土（Concrete Filled Double Skin Steel Tubes，CFDST）构件在轴力与撞击耦合作用下的精细化有限元分析模型，研究了轴压比作用下圆 CFDST 构件抗撞工作机理及影响其抗撞性能的主要因素。采用等效单自由度法计算了圆中空夹层钢管混凝土构件在撞击作用下的位移响应。 主要得到以下结论：
（1）在中空夹层钢管混凝土构件轴力-撞击耦合作用分析模型中，考虑了钢材和混凝土的应变率效应以及不同部分之间的接触关系。采用隐式算法（Static, General）与动力显示算法（Dynamic, Explicit）顺序耦合的方式实现了模型中轴力与撞击的耦合作用。通过与典型试验结果进行对比，证明有限元模型可以较好地模拟中空夹层钢管混凝土构件在轴力-撞击耦合作用下的力学行为。
（2）轴力与撞击耦合作用下，圆中空夹层钢管混凝土柱以整体受弯破坏为主。当轴压比增大时，圆中空夹层钢管混凝土构件塑性变形区域扩大；塑性耗能增加，外钢管塑性耗能减小，混凝土塑性耗能增加，外钢管与混凝土的塑性变形是构件在轴力与撞击荷载下的主要耗能机制。
（3）对影响轴力作用下圆中空夹层钢管混凝土构件抗撞性能的主要参数进行了分析。结果表明，随着轴压比的增大，构件的抗撞性能呈降低趋势；当轴压比大于 0.4时，构件的抗撞性能显著降低。影响轴力作用下圆中空夹层钢管混凝土柱撞击力平台值的主要参数包括：名义截面含钢率、外钢材屈服强度、截面直径、撞击速度和撞击质量。基于参数分析的结果，通过大量算例建议了圆 CFDST 构件撞击力平台值实用计算公式。
（4）采用等效单自由度法计算了轴压作用下圆中空夹层钢管混凝土构件撞击动力位移响应。先假设构件变形函数，计算出简化计算模型的各项等效换算系数，推导出轴力对构件抗力函数的影响，利用动量定理简化撞击荷载，由此建立等效单自由度体系的运动微分方程，利用有限差分法求出位移响应通解。采用试验和有限元模拟结果对等效单自由度计算方法进行验证，曲线吻合较好，该方法可较好预测撞击作用下构件的位移响应。
参考文献（略）