本文是一篇土木工程论文，本文利用有限元分析软件 ABAQUS 建立了长期荷载作用下钢管混凝土构件遭受撞击荷载的有限元模型以及遭受撞击荷载后的剩余受压承载力计算模型，采用分段验证的方式对模型的准确性进行了验证。
第 1 章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.1.1 钢管混凝土的特点
钢管混凝土(Concrete Filled Steel Tube，CFST)是指在钢管中填充混凝土而形成且钢管及其核心混凝土能够共同承受外荷载作用的结构构件。根据其截面形式的不同，钢管混凝土构件可分为圆形、方形、矩形、多边形、圆端矩形和椭圆形等形式。钢管混凝土利用钢管和混凝土两种材料在受力过程中的相互作用，即钢管对其核心混凝土的约束作用，使混凝土处于复杂应力状态之下，从而使混凝土的强度得以提高，塑性和韧性性能得到改善。同时，由于混凝土的存在，可以延缓或避免钢管过早地发生局部屈曲，从而可以保证其材料性能的充分发挥[1]。另外，施工时钢管可作为其浇筑模板，与普通的钢筋混凝土施工工艺相比，可节省模板支出费用，提高施工速度。
钢管混凝土结构具有承载力高、塑性韧性好、施工方便、耐火性能好、经济效果好等特点。随着我国经济水平的提高，建筑逐步向大跨结构、高耸结构、异形结构发展，钢管混凝土结构的力学特性更好地适应了建筑的发展，因而越来越广泛应用于工业厂房、构架柱、地铁站台柱、输电塔、空间结构、超高层建筑以及桥梁结构中，取得了良好的经济效益和建筑效果。如深圳赛格广场大厦、北京中国尊、四川合江长江一桥、广州电视塔等建筑为钢管混凝土在实际工程中的应用，典型的工程应用如下图 1.1 所示。
1.2 相关课题研究现状
目前，国内外相关学者对钢管混凝土构件以及“广义”钢管混凝土构件(中空夹层钢管混凝土构件、内置型钢的钢管混凝土构件、钢管混凝土叠合柱)在一次加载模式下遭受撞击荷载动力响应进行了大量研究，对撞击荷载作用下构件的破坏特征、能量传递过程、撞击力发展过程以及撞后跨中挠度、撞后剩余承载力进行了分析研究。钢管混凝土构件在长期荷载作用下的静力力学性能，相关试验研究与理论分析较为丰富。但对于钢管混凝土构件在长期持荷过程中遭受撞击等动力荷载的试验研究鲜有报道，相关课题研究现状如下所述。
1.2.1 长期荷载作用对钢管混凝土构件的影响研究现状
谭素杰和齐加连[3]在中国最早进行了钢管混凝土构件的徐变试验，通过轴压和偏压徐变试验，对含钢率、偏心率和长期荷载比等参数进行分析，认为徐变在早期发展较快，后期徐变变化较小。
韩林海等[4]进行了钢管混凝土构件在长期荷载作用下的承载力试验，提出了长期荷载作用下核心混凝土的应力-应变关系，通过参数分析提出了长期荷载作用下方钢管混凝土柱的承载力影响系数。
韩林海和刘威[5]通过试验研究提出了长期荷载作用下圆钢管混凝土构件核心混凝土的应力-应变关系，采用数值方法对长期荷载作用下圆钢管混凝土构件的承载力进行了计算，并进行了参数分析。
韩林海等[6]研究了长期荷载作用对矩形钢管混凝土构件承载力的影响，认为长期荷载对矩形构件的影响与方形构件基本相同，考虑长期荷载作用时矩形钢管混凝土构件轴心受压承载力最大可降低 35%。
韩冰和王元丰[7]对钢管混凝土构件的徐变进行了分析，提出了受弯构件在长期荷载作用下的承载力计算方法，认为徐变对钢管混凝土受弯构件的承载力影响较大。
韩冰和王元丰[8]利用继效流动理论和龄期调整有效模量法计算了圆钢管混凝土轴压构件的徐变，并对二者的差异进行了比较，认为继效流动理论在计算过程中有更高的准确性。
李永进[9]分析了钢管混凝土柱中混凝土的收缩和徐变对构件力学性能的影响，利用ABAQUS 计算了核心混凝土收缩和徐变，分析了长期荷载作用下钢管混凝土构件的破坏特征，并进行了参数分析。
第 2 章 长期荷载作下钢管混凝土构件遭受撞击荷载的有限元计算模型
2.1 引言
鉴于目前对考虑长期荷载与撞击荷载共同作用的试验研究较为少见，本文采用分段验证的方式对有限元模型的准确性进行验证。整个有限元模拟过程中需要实现ABAQUS/Standard 求解结果(收缩徐变计算)到 ABAQUS/Explicit 求解结果(撞击荷载计算)再到 ABAQUS/Standard 求解结果(剩余受压承载力计算)之间的传递。但动态显式计算结果向静态隐式分析传递过程中，构件在初始状态可能存在无法平衡的荷载，导致静态隐式计算无法收敛，经验发现采用较小的初始增量步(10-4s~10-5s)可以让不平衡荷载在计算过程中消失。整个计算过程可以分为三个阶段：①利用自定义子程序 UMAT 完成长期荷载作用下钢管混凝土构件核心混凝土收缩徐变的计算；②将第一步的计算结果导入作为构件的初始状态，对构件施加侧向撞击荷载；③将第二步的计算结果导入作为构件的初始状态，计算构件的剩余受压承载力。结果传递过程中保持构件单元类型、单元网格划分不变，通过预定义场将上一步的计算结果*Res 文件导入下一步中。模型验证思路和整个有限元模型计算的过程如图 2.1 所示。
2.2 本构模型选取
2.2.1 混凝土本构模型
2.2.1.1 一次加载模式下混凝土的本构模型
由于混凝土材料的不均匀性，且存在微小裂缝，因此其工作性能较为复杂，钢管混凝土构件中由于外钢管的约束，钢管和核心混凝土之间的相互作用使混凝土的受力状态进一步复杂化。
2.2.1.2 长期荷载作用下混凝土的应力-应变关系
本文研究的撞击属于低速撞击，在利用有限元软件 ABAQUS 进行计算过程中发现混凝土的应变率效应对计算结果影响较小，且长期荷载作用对混凝土的应变率效应是否存在影响也需要进一步的研究，故本文在计算钢管混凝土构件遭受撞击荷载的过程中暂不考虑混凝土的应变率效应。由 2.4节模型验证的结果可知，不考虑混凝土的应变率效应时对于构件遭受撞击荷载的有限元计算模型依然取得了良好的验证结果。
第 3 章 一次加载与长期荷载作用下钢管混凝土构件遭受撞击荷载的工作机理对比分析 ............................. 32
3.1 引言 .................................. 32
3.2 撞击全过程对比分析 ............................ 32
第 4 章 长期荷载作用下钢管混凝土构件动力抗弯承载力简化计算方法 ........................ 46
4.1 引言 ..................... 46
4.2 一次加载模式下构件的动态极限弯矩计算 ....................... 46
结论与展望......................55
结论......................55
展望......................55
第 4 章 长期荷载作用下钢管混凝土构件动力抗弯承载力简化计算方法
4.1 引言
钢管混凝土构件在撞击荷载下主要出现受弯破坏，因此动力抗弯强度是衡量其抗撞击性能的重要指标[1]。通过第三章对两种加载模式下构件遭受撞击荷载的对比分析，表明两种加载模式下构件的破坏特征相似，考虑长期荷载作用时构件在撞击荷载作用下的动力响应与一次加载模式相比仅存在一个“量变”的区别。因此，对一次加载模式下构件遭受撞击荷载的动力抗弯承载力简化计算方法经过合理的修正，便可得到长期荷载作用下构件的动力抗弯承载力计算方法。目前，韩林海[1]对钢管混凝土构件在静力荷载作用下的抗弯强度进行了计算，瞿海雁[22]、侯川川[23]等以此为基础对钢管混凝土构件在无轴向荷载作用下遭受撞击荷载作用的动力抗弯承载力进行了计算。本章将以韩林海提出的钢管混凝土构件静态抗弯强度计算方法为基础，利用修正系数法，首先对考虑轴向荷载的钢管混凝土构件在撞击荷载作用下跨中截面的动力抗弯强度进行计算，在此基础上提出长期荷载作用下钢管混凝土构件跨中截面的动力抗弯强度计算方法。
以 3.2 节的典型有限元模型为基础，提取构件在撞击过程中跨中截面受拉侧的纵向应变(ε)-弯矩(M)关系曲线，图 4.1(a)为构件在不同轴力作用下跨中截面应变-弯矩关系曲线，可见随着轴压比的增大，构件跨中截面极限弯矩呈现出先增大后减小的趋势，表明轴力大小在一定范围内对构件的跨中极限弯矩有利。图 4.1(b)为钢管混凝土构件典型的N/Nu-M/Mu 关系曲线[1]，清晰地反映了构件轴向荷载和极限弯矩之间的关系。通过对此曲线进行观察，可以对图 4.1(a)中的现象进行解释，当轴压比较小时，轴向荷载对构件的跨中截面极限弯矩 Mu 是有利的，随着轴压比的增大，构件的极限弯矩增大，而当轴压比增大到某一范围时，轴向荷载便对构件的极限弯矩 Mu 产生不利的影响，随着轴压比的增大，构件极限弯矩则会减小。
结论与展望
结论
本文利用有限元分析软件 ABAQUS 建立了长期荷载作用下钢管混凝土构件遭受撞击荷载的有限元模型以及遭受撞击荷载后的剩余受压承载力计算模型，采用分段验证的方式对模型的准确性进行了验证。在此基础上从多个角度对比分析了一次加载模式下和长期持荷工况下钢管混凝土构件在撞击荷载作用下的动力响应；以跨中极限挠度和构件遭受撞击后的剩余受压承载力系数作为抗撞击性能评价指标，对一次加载模式下和长期荷载作用下钢管混凝土构件的抗撞击性能进行了参数分析；通过修正系数的方法提出了长期荷载作用下钢管混凝土构件跨中截面动态极限弯矩简化计算方法。通过分析主要得到以下结论：
(1)
