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[6] 赵 剑 衡,冲 击 压 缩 下 玻 璃 等 脆 性 材 料 中 失 效 波 的 研 究 [D],北 京 :中 国 科 学 院 力 学 研 究 所 ,2000.
图3 复合材料中剪切裂纹滑移对纤维的损伤分析图
图4 波系图
(上 接 96页 )
强 度 设 计 值 fc=7.5N/mm2。图 2所 分 析 的 柱 脚是最简单的柱脚构造形式,在柱下端仅 焊 一 块 底 板 ,底 板 尺 寸 (mm)为 450× 30× 600,柱的截面高度为400mm,柱的翼缘板厚 度 为 20mm,宽 度 为 250mm,柱 的 腹 板 厚 度 为 16mm,柱 截 取 500mm高 并 且 上 部 固 定 , 柱与底板的连接模拟成为一体(替代了焊 缝 连 接 ),柱 脚 钢 材 为 Q235钢 。
(a)
(b)
图1 平板式柱脚构造图
2 平板式柱脚的有限元分析
在对柱脚进行有限元分析时,整个结 构采用实体单元建模(即六面体单元),底板 施加均匀分布的荷载,大小为混凝土抗压
图2 平板柱脚的应力分布图
图3 加强的平板柱脚的应力分布图
９６
科技创新导报 Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｈｅｒａｌｄ
肋 ,加 劲 肋 的 尺 寸 (mm)为 90× 16× 300,靴 梁 与 加 劲 肋 均 为 Q235钢 。在 同 样 承 受 底 部 混凝土基础传递来的荷载作用下,应力分 布如图3所示。
显然,通过设置靴梁和加劲肋,可以有 效降低柱脚底板的应力峰值,减少底板的 变 形 ,达 到 保 护 柱 脚 的 目 的 。但 是 同 时 也 可 以看出,采用矩形钢板做靴梁和肋板时,在 靴梁和肋板的自由尖端应力值很小,浪费 钢 材 。为 了 优 化 设 计,可 以 将 靴 梁 和 肋 板 的 尖端切去,优化后的柱脚模型如图4所示。 从图3和图4的对比可以看出,对靴梁和肋 板进行切割后基本上不影响柱脚的受力情 况 ,同 时 减 少 了 钢 材 的 用 量 (见 图 4)。
1 平板式柱脚的构造
如图1所示是几种常用的平板式铰接 柱 脚 。由 于 基 础 混 凝 土 强 度 远 比 钢 材 低,所 以必须把柱的底部变大,以增加与其基础 顶 部 的 接 触 面 积 。图 a 是 一 种 最 简 单 的 柱 脚 构造形式,在柱下端仅焊一块底板,柱中压
力 由 焊 缝 传 至 底 板 ,再 传 给 基 础 。这 种 柱 脚 只能用于小柱型,如果用于大柱型,底板会 太 厚 。一 般 的 铰 接 柱 脚 常 采 用 图 b的 形 式 , 在柱端部与底板之间增设一些中间传力零 件 , 如 靴 梁 、隔 板 和 肋 板 等 , 以 增 加 柱 与 底 板的连接焊缝长度,并且将底板分隔成几 个 区 隔 ,使 底 板 的 弯 矩 减 小 ,厚 度 减 薄 。图 b 中,靴梁焊于柱的两侧,在靴梁之间用隔板 加强,以减小底板的弯矩,并提高靴梁的稳 定性(见图1)。
图4 优化的平板柱脚的应力分布图 ( 下转 9 8 页)
科技创新导报 ２００９ ＮＯ．３３ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｈｅｒａｌｄ
裂纹的成核和扩展,同时材料中存在较多 的 裂 纹 、孔 洞 等 微 观 缺 陷,由 此 导 致 如 图 所 示 的 纤 维 束 的 剪 断 和 碎 化[2](见图3、图4)。
不同冲击压力P下测得的破坏波速度V 的 f
线性拟合为:
Vf = A + BP P > Pth
(4)
式中 P 取压应力为正,A和B为拟合系
数[2]。
4 结语
3D C/SiC基复合材料在冲击载荷作用
工 程 技 术
下以破坏波的形式,从碰撞面开始向里传 播,当冲击压力超过某一阈值时,其破坏阵 面 的 传 播 速 度 与 冲 击 压 力 成 线 性 关 系 。陶 瓷基复合材料3D C/SiC复合材料的破坏状 态主要由SiC基体材料控制,材料中的为孔 洞在冲击压缩载荷下塌缩以及由此引起的 微细裂纹的扩展演化是导致材料破坏的重 要原因。
[3] 张 庆 明 , 黄 风 雷 , 韩 黎 明 , 冲 击 压 缩 3DC/SiC复 合 材 料 的 破 坏 波 传 播 [J],科 学 通 报 ,1999,17(44).
[4] Berry,J.P.,Mech.Phys.Solids,31, 1990,31:2233～ 2236.
[5] 柯 孚 久 ,白 以 龙 ,夏 蒙 芬 ,理 想 微 裂 纹 系 统 的 演 化 特 征,中 国 科 学 ,A辑 ,第 6期 , 1990,621～ 631.
参考文献
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[2] 韩 黎 明 ,3D～ BC/SiC复 合 材 料 冲 击 响 应 特 性 及 粉 化 机 理 研 究 [D],北 京 :北 京 理 工 大 学 机 电 工 程 学 院 ,1998.
板,以改善底板的受力情况,保证柱脚的安 全性。
参考文献
[1] 赖 永 标 , 胡 仁 喜 ,黄 书 珍 .ANSYS 11.0 土 木 工 程 有 限 元 分 析 典 型 范 例 [M].电 子 工 业 出 版 社 ,2007,10.
[2] 杨 晓 莉 , 何 俊 祥 . 钢 结 构 柱 脚 节 点 设 计 浅 谈 [J].土 建 设 计 ,2005第 3期 .
纤维束的剪断和碎化局限于裂纹尖端 的 应 力 集 中 区 ,即 孔 隙 和 缺 陷 处 。连 接 单 元 胞对角线的四束纤维交汇于单元胞的中心 “ 纤 维 束 交 汇 处 ”往 往 存 在 封 闭 的 死 角 ,C VI 工 艺 沉 积 的 SiC很 难 进 入 此 处 ,形 成 了 孔 隙,因此在冲击载荷较低时,在此交汇处的 孔隙塌缩以及引起的裂纹首先将纤维剪 断 ,其 碎 裂 长 度 较 大 ,随 着 冲 击 载 荷 的 增 大,纤维碎化成微米量级的颗粒。
科技创新导报 ２００９ ＮＯ．３３ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｈｅｒａｌｄ 钢结构平板铰接柱脚的有限元分析
工 程 技 术
刘春波1 隋殿勇2 (1.烟台市莱山区市政公用事业处; 2.烟台大学后勤集团 烟台 264000)
摘 要:本文采用有限元分析的方法研究了钢结构平板式柱脚在轴力作用下的应力分布,通过对不同类型柱脚的分析,给出了柱脚设计的
现二次压缩加载的时间;应力波从界面反射 的波速 Cr1 ,从破坏区边界反射的压缩波速
Cr2 ,在 实 验 压 力 不 高 时 ,取 Cr1 ≈ Cr 2 ≈ Ds , Ds 为 冲 击 波 速 度 ,根 据 波 系 图 可 知 ,破 坏 层 宽 度 计 算 公 式 为 [6]:
hf
= h − t1 − t 0 2
因此,3D C/SiC复合材料在冲击载荷 作用下的破坏状态主要由SiC基体材料控 制,材料中的微孔洞在冲击压缩载荷下的 塌缩以及由此引起的微细裂纹的扩展演化 是导致材料破坏的重要原因。
3 破坏波传播速度
由波系图4再根据实验测得的波形图,可 以计算破坏区的宽度和破坏波的平均传播
速度。取 hf 为破坏层宽度; h 为靶面到反射 界 面 处 的 距 离 ; ht 为 未 破 坏 区 的 宽 度 ; t0 为 应力波信号初始起跳时间; t1 为波形图上出
Ds
=
h
−
1 2
Dstr
(1)
引入公式
tf
=
h Ds
+ h − hf Ds
(2)
这 样 可 得 破 坏 波 的 平 均 传 播 速 度 Vf:
Vf
= hf tf
(3)
Parton通过实验分析得出在冲击压力P
超
过
某
一
阈
值
P
th
时
,破
坏
波
速
与
P
成 线 性 关 系 的 结 论 。为 此 ,根 据 同 一 试 件 在
一些基本建议。
关键词:钢结构平板柱脚 有限元分析 设计建议
中 图 分 类 号 :TU7
文 献 标 识 码 :A
文 章 编 号 :1674-098X(2009)11(c)-0096-02
随着我国社会经济的发展,大型体育 场 馆 、钢 结 构 工 业 厂 房 、工 业 设 备 支 架 和 钢 结 构 住 宅 开 始 大 量 涌 现 。这 些 钢 结 构 中 的 柱一般都是通过柱脚底板将力扩散到混凝 土 基 础 。多 年 来,柱 脚 底 板 均 采 用 基 于 弹 塑 性薄板弯曲理论下的简化计算方法,即假 设柱底板仅发生弹性变形,将柱底板视为 支承在柱上的悬臂板承受混凝土基础传来 的反力,底板厚度由底板的抗弯强度决定。 这些方法假定忽略有利因素过多,计算结 果 底 板 厚 度 偏 大 ,给 钢 材 供 应 、加 工 制 造 、 现 场 安 装 等 带 来 极 大 不 便 。设 计 时 应 该 考 虑 钢 柱 、柱 脚 底 板 和 混 凝 土 基 础 三 者 的 相 互作用原理,可以采用大型有限元分析软 件 ANSYS11.0,对 其 进 行 材 料 非 线 性 静 力
从图2可以看出:最简单的平板柱脚底 板处应力达到很大值,红色区域部分达到 了钢板的屈服强度而发生很大的塑性变 形,这种形式的柱脚承受荷载能力较差(见 图2)。
在图2所示的柱脚模型基础上在柱的 两侧焊接靴梁,靴梁的尺寸(mm)为400×10 × 600,然 后 在 两 个 靴 梁 外 部 焊 接 四 块 加 劲
铰接柱脚不承受弯矩,只承受轴向压 力 和 剪 力 。剪 力 通 常 有 底 板 与 基 础 表 面 的 摩 擦 力 传 递 。此 当 摩 擦 力 不 足 以 承 受 水 平 剪力时,应在柱脚底板下设置抗剪键,抗剪 键 可 用 方 钢 、短 T字 钢 或 H型 钢 做 成 。铰 接 柱脚通常仅按承受轴向压力计算,轴向压 力 N一 部 分 由 柱 身 传 给 靴 梁 、肋 板 等 ,再 传 给底板,最后传给基础;另一部分是经柱身 与底板间的连接焊缝传给底板,再传给基 础。
