圆形中空夹层钢管超高性能钢纤维混凝土柱抗爆性能野外实验与数值模拟

徐慎春; 刘中宪; 吴成清

doi:10.11883/1001-1455(2017)04-0649-12

圆形中空夹层钢管超高性能钢纤维混凝土柱抗爆性能野外实验与数值模拟

doi: 10.11883/1001-1455(2017)04-0649-12

徐慎春¹,
刘中宪^2, ,,
吴成清^{1, 2}

1.
天津大学建筑工程学院，天津 300372
2.
天津城建大学天津市土木建筑结构防护与加固重点实验室，天津 300384

基金项目:

国家自然科学基金面上项目 51278326

国家科技支撑计划重点项目 2012BAJ07B05

天津市科技支撑计划重点项目 14ZCZDSF00016

详细信息

作者简介:
徐慎春(1986-)，男，博士

通讯作者:
刘中宪，zhongxian1212@163.com

中图分类号: O381
计量
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出版历程
- 收稿日期: 2015-12-28
- 修回日期: 2016-05-15
- 刊出日期: 2017-07-25

Field blast test and numerical simulation of ultra-high performance steel fiber reinforced concrete-filled double skin steel tube column under blast loading

1.
School of Civil Engineering, Tianjin University, Tianjin 300372, China
2.
Tianjin Key Laboratory of Civil Structure Protection and Reinforcement, Tianjin Chengjian University, Tianjin 300384, China

摘要

摘要: 通过6根圆形中空夹层钢管超高性能钢纤维混凝土(UHPSFRCFDST)柱爆炸破坏实验，研究了轴压、折合距离、空心率和迎爆面形状对其动态响应及损伤破坏的影响，并运用LS-DYNA软件建立了爆炸荷载作用下UHPSFRCFDST柱动态响应的有限元模型。在验证了模型有效性的基础上，运用参数化分析方法，研究了轴压比、空心率、含钢率、内层和外层钢管径厚比及其强度等关键参数对圆形UHPSFRCFDST柱抗爆性能的影响。结果表明：有限元模型能够有效地分析UHPSFRCFDST柱在爆炸荷载作用下的动态响应及损伤破坏；在小于临界轴压时，提高轴压比能够提升UHPSFRCFDST柱抗爆性能，但超过临界轴压后继续提高反而会加重其损伤破坏；减小空心率或内、外层钢管径厚比均可有效提升UHPSFRCFDST柱的抗爆性能，提高含钢率或外层钢管强度也能达到相同效果，但提高内层钢管强度对其抗爆性能的提升作用并不显著。
- 中空夹层钢管超高性能钢纤维混凝土 /
- 爆炸荷载 /
- 抗爆性能 /
- 有限元模型
Abstract: A field blast test including 6 specimens was conducted to investigate the effect of the axial compression ratio, the scaled distance, the hollow ratio and the shape of the facing blasting side on the dynamic response of ultra-high performance steel fiber reinforced concrete-filled double skin steel tube columns (UHPSFRCFDST). Then a three dimensional finite element model (3D FEM) was built using the LS-DYNA software to analyse the dynamic response and damage mechanism of UHPSFRCFDST columns under blast loading, and it was validated by comparison of simulation with blast testing results. Based on this model, the effect of such key parameters as the axial compression ratio, the hollow ratio, the steel ration, the thickness and strength of the inner or outer steel tube, on the blast-resisting performance of UHPSFRCFDST columns was presented. The results indicate that the 3D FEM can accurately describe the dynamic response of UHPSFRCFDST columns under blast loading. The blast-resisting performance of UHPSFRCFDST columns can be improved by increasing the axial compression ratio in a certain range, whereas the damage of the specimens will aggravate when this ratio goes above a critical value. Moreover, the blast-resisting performance of UHPSFRCFDST columns can be enhanced by reducing the hollow ratio or the diameter to thickness ratio of the inner and outer steel tube, and the effect can also be achieved by increasing the steel proportion or the strength of the outer steel tube. However, the strength of the inner steel tube has little effect on the blast-resisting performance of UHPSFRCFDST columns.
- UHPSFRCFDST /
- blast loading /
- blast-resisting performance /
- finite element model

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锆是一种具有极强耐腐蚀性能的稀有金属, 其耐蚀性能优于不锈钢、钛和镍合金, 可用于硝酸、盐酸、过氧化氢以及氯化乙烯等化工产品的生产和存储装置。由于锆的价格昂贵, 所以通常将锆与钢复合后使用, 目前主要通过爆炸焊接技术来制备大面积的锆/钢复合板^[1-2]。爆炸焊接是一种高能率固相焊接方法, 它是利用炸药爆轰驱动复板与基板高速撞击来实现焊接的。焊接后, 在复板与基板的结合面处会产生准正弦波形状的波纹, 称为界面波^[3]。界面波是判断爆炸焊接结合强度的一个标准, 细小而规则的界面波表示基复板结合强度高, 无界面波或界面波过大, 则表示结合强度较差^[4-5]。

锆与钢直接复合时, 容易形成脆硬的金属间化合物, 降低复合板的结合强度。因此复合时, 需要在锆与钢之间添加过渡层^[6]。钛、锆为同族元素, 材料冶金性能相近, 两者爆炸复合不会产生金属间化合物, 而钛与钢的爆炸复合工艺成熟, 可充分保证结合质量, 所以本文选用钛作为锆/钢复合板的过渡层。

本文中, 拟对锆/钢和锆/钛/钢进行小倾角法爆炸焊接实验, 测量各结合界面的波形参数和剪切强度, 分析过渡层及退火处理对剪切强度的影响。另外, 采用光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics, SPH)法模拟锆/钛/钢三层爆炸焊接, 计算碰撞速度和碰撞角, 获得锆/钛/钢最佳结合质量对应的最优爆炸焊接动态参数。

1. 小倾角爆炸焊接实验

小倾角法爆炸焊接实验是将复板和基板预置一定的角度, 一般为2°~6°, 使复板与基板的间距连续变化, 从而在不同加速距离下获得连续变化的碰撞速度和碰撞角^[7], 实验装置如图 1所示。小倾角法可在一次实验中实现多组不同碰撞速度和碰撞角下的爆炸焊接, 适合进行爆炸焊接动态参数的优化。实验中采用的复板为Zr-3锆板, 基板为Q345钢板, 过渡层为TA1钛板。复板尺寸为400 mm×160 mm×3 mm, 基板尺寸为360 mm×160 mm×10 mm, 过渡层尺寸为360 mm×160 mm×2 mm。采用的炸药为改性铵油炸药, 装药密度0.84 g/cm³, 爆速2.6 km/s。

图 1 三层小倾角法爆炸焊接装置示意图

Figure 1. The equipment of three-layer explosive welding at small angle

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锆/钢双层实验预置倾角为3°, 最大间距为19 mm, 装药厚度35 mm。锆/钛/钢三层实验的复板与过渡层间的预置倾角为3°, 最大间距为19 mm。过渡层与基板平行放置, 架高为8 mm。装药厚度为40 mm。各板间结合面均经抛光处理, 复板与炸药接触表面涂抹黄油防止烧蚀。

爆炸焊接后得到的锆/钢及锆/钛/钢复合板无空鼓和开裂, 表面无烧蚀, 经超声波检测其结合率为100%。在每块复合板上沿长度方向切割出360 mm×20 mm的长条, 再截断成40 mm长的小试样, 用于金相及剪切强度检测。

2. 结果与分析

2.1 波形参数

金属板爆炸焊接时会在结合界面形成界面波, 界面波的大小与爆炸复合板的结合强度有关。一般界面波细小时, 结合强度高, 无界面波或界面波粗大时, 结合强度低。界面波的大小可由波形参数来表示, 波形参数包括波长s、波高h和比波长s/h。

锆/钢复合板9个试样的界面波如图 2所示。可以看出, 试样1的结合界面平直无波纹, 试样2的左半部无波纹, 右半部开始出现细小波纹, 其他7个试样的结合界面都有波纹产生, 而且沿爆轰波传播方向界面波越来越明显。试样9的右半部没有界面波, 这是受爆炸焊接末端稀疏效应的影响所致。

图 2 锆/钢复合板的界面波

Figure 2. The interfacial waves of the Zr/steel clad plate

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为了测量各试样的波形参数, 在每个试样的中间位置, 对结合界面进行金相显微观察, 如图 3所示。可以看出, 试样1基本无界面波, 其余8个试样的界面波形状相似, 波长逐渐增大。在图 3中测量出界面波的波长和波高, 具体波形参数见表 1。图中的位置表示界面波波峰至起爆点的距离, 在距离起爆点60 mm处界面波的波长、波高和比波长均发生了突变, 说明开始产生界面波。此后随着远离起爆点, 波长和波高逐渐增加, 比波长先减小后增加。

图 3 锆/钢复合板界面的形貌

Figure 3. The interfacial morphology of the Zr/steel clad plate

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表 1 复合板的波形参数

Table 1. The interfacial wave parameters of the clad plates

试样编号	s/mm	h/mm	s/h	s/mm	h/mm	s/h	s/mm	h/mm	s/h
试样编号	锆/钢界面			锆/钛界面			钛/钢界面
1	0.189	0.011	17.18	0	0	0	0.500	0.111	4.50
2	0.511	0.133	3.84	0.120	0.110	1.09	0.889	0.200	4.45
3	1.056	0.278	3.80	0.222	0.167	1.33	0.833	0.189	4.41
4	1.444	0.411	3.51	0.389	0.278	1.40	1.111	0.222	5.00
5	1.944	0.711	2.73	0.445	0.333	1.34	1.278	0.278	4.60
6	2.111	0.833	2.53	0.556	0.389	1.43	1.444	0.333	4.34
7	2.333	0.722	2.23	0.611	0.444	1.38	1.611	0.333	4.84
8	2.444	0.822	2.97	0.667	0.500	1.33	1.667	0.333	5.00
9	2.833	0.777	3.64	0.844	0.510	1.65	1.889	0.333	5.67

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采用同样方法测量锆/钛/钢试样的界面波波形参数。锆/钛/钢复合板包含2个界面, 锆/钛界面和钛/钢界面, 所以分别对2个界面进行金相显微观察, 然后将同一位置2个界面的图像合成在一起, 如图 4所示。由于篇幅所限, 只列举了1、6和9号试样。锆/钛界面在20 mm处无界面波, 在60 mm开始出现微小界面波, 此后波长和波高逐渐增加, 比波长为1.4左右。钛/钢界面在20 mm处就形成了界面波, 此后波长逐渐增加, 波高增加到0.333 mm后, 就不再变化, 其比波长值为5.0左右。锆/钛/钢复合板的波形参数见表 2。

图 4 锆/钛/钢复合板界面的形貌

Figure 4. The interfacial morphology of the Zr/Ti/steel clad plate

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表 2 复合板结合界面的剪切强度

Table 2. The interfacial shear strength of clad plate

试样编号	σ_s/MPa
	锆/钛界面		钛/钢界面		锆/钢界面
	爆炸态	退火态	爆炸态	退火态	爆炸态	退火态
1	57	41	63	185	47	160
2	77	68	124	180	110	160
3	103	94	150	193	138	166
4	115	101	163	163	147	132
5	142	121	155	191	144	157
6	155	131	164	217	148	179
7	124	110	158	183	143	165
8	84	78	166	156	146	131
9	51	46	133	131	115	112

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2.2 剪切强度

爆炸复合板的结合强度是评价复合板质量的重要参数, 通常用剪切强度σ_s来表示。复合板的剪切强度一般根据GB/T 6396-2008^[8]进行检测。按照该标准对锆/钢和锆/钛/钢试样进行加工, 复合板剪切强度检测装置及剪切后的试样如图 5所示。

图 5 复合板剪切强度测试装置示意图

Figure 5. The testing device for shear strength

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各试样结合界面的剪切强度见表 2, 其中退火态是指经过退火处理消除了加工应力的试样, 退火温度为580 ℃, 保温1小时。爆炸态为没有经过退火处理的试样。从表 2可以看出, 退火后复合板结合界面的剪切强度降低约20%。

根据锆/钢复合板行业标准YST 777-2011^[9]得知, 退火态锆/钢复合板结合界面的剪切强度应高于140 MPa。由表 2可以看出:在没有过渡层的情况下, 锆/钢复合板不同试样的退火态剪切强度均低于140 MPa; 而增加了过渡层后, 锆/钛/钢复合板的5、6和7号试样的锆/钛界面和钛/钢界面的剪切强度均高于140 MPa, 其中锆/钛/钢试样6在2个界面上的剪切强度均为最大值, 锆/钛界面的剪切强度为148 MPa, 钛/钢界面的剪切强度为179 MPa。这表明钛作为过渡层可提高锆/钢复合板的剪切强度, 使之达到行业标准要求。另外, 对比表 1可知:当锆/钛界面波波长约为0.5 mm, 钛/钢界面波波长约为1.5 mm时, 结合界面的剪切强度较高。

3. 数值模拟

为了获得小倾角实验的碰撞速度和碰撞角, 采用SPH法对锆/钛/钢三层爆炸焊接进行数值模拟。SPH法是一种拉格朗日无网格方法, 采用带有各种物理量的粒子构成离散计算域。任意粒子i的物理量f_i可以通过其周围粒子插值得到。SPH法不用定义接触, 各材料的粒子就可实现相互作用。材料的变形不依赖网格, 能够避免有限元法的网格畸变, 因此被广泛应用于爆轰、侵彻等各种大变形问题的计算^[10-11]。李晓杰等^[12]和Wang Xiao等^[13]将该方法用于爆炸焊接研究, 经与实验结果比较, 证明计算精度较高。

采用SPH法对锆/钛/钢小倾角法爆炸焊接进行数值模拟, 质点模型由5部分组成(见图 6):炸药、锆板、钛板、钢板和刚性壁, 其中刚性壁模拟爆炸焊接时钢板下方的垫板。爆炸焊接时架高的阻力可忽略不计, 所以模型中省略了架高。起爆点位于炸药左上角。由于是对整个爆炸焊接过程进行宏观模拟, 质点间距较大, 所以没有模拟出界面波。按照表 1中各试样的中点位置, 在锆板和钛板下表面依次各取9个点, 间隔均为40 mm, 计算得到各点的碰撞速度v和碰撞角β, 见表 3。

图 6 锆/钛/钢爆炸焊接的SPH模型

Figure 6. The SPH model of explosive welding for Zr/Ti/steel clad plate

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表 3 锆/钛/钢界面的碰撞参数

Table 3. Impact parameters for Zr/Ti/steel interface

试样	v/(m·s^-1)	β/(°)	v/(m·s^-1)	β/(°)
试样	锆/钛界面		钛/钢界面
1	325	5.2	485	3.3
2	501	10.1	554	8.5
3	602	13.5	684	14.2
4	680	17.0	755	16.8
5	734	19.8	803	19.5
6	774	20.4	871	20.2
7	805	20.8	904	20.5
8	823	21.2	923	20.9
9	850	21.5	939	21.3

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通过模拟, 得出了锆/钛/钢5、6和7号试样的碰撞速度和碰撞角。由此得到一组合理的锆/钛/钢碰撞参数, 即锆/钛界面的v为734~805 m/s, β为19.8°~20.8°; 钛/钢界面的碰撞速度为803~904 m/s, 碰撞角为19.5°~20.5°。

4. 结论

通过对锆/钛/钢进行了小倾角法爆炸焊接实验及数值模拟, 得出如下结论:(1)钛板作为过渡层, 可显著提高锆/钢复合板的剪切强度。(2)小倾角实验可获得波长连续变化的界面波, 当锆/钛界面波波长约为0.5 mm, 钛/钢界面波波长约为1.5 mm时, 结合界面的剪切强度较高。(3)当锆/钛界面的碰撞速度为734~805 m/s, 碰撞角为19.8°~20.8°, 钛/钢界面的碰撞速度为803~904 m/s, 碰撞角为19.5°~20.5°时, 锆/钛/钢三层复合板的锆/钛和钛/钢界面的剪切强度都能高于140 MPa。

图 1 圆形UPHSFRCFDST柱截面示意图

Figure 1. Diagram of UPHSFRCFDST cross section

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图 2 爆炸破坏实验设置

Figure 2. Field blast test setup

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图 3 爆炸破坏实验示意图

Figure 3. Schematic of field blast test

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图 4 不同折合距离下超压时程曲线

Figure 4. Time history of overpressure with different scaled distances

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图 5 不同工况条件下柱跨中挠度时程曲线

Figure 5. Time history of mid-span displacement with different working conditions

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图 6 实验后试件

Figure 6. Specimens after test

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图 7 有限元模型

Figure 7. Finite element model

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图 8 试件柱中竖向位移时程曲线对比

Figure 8. Comparison of mid-span displacement history

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图 9 试件破坏形态对比

Figure 9. Comparison of failure modes

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图 10 不同轴压比时试件的柱中竖向位移时程曲线

Figure 10. Comparison of mid-span displacement history with different axial load ratios

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图 11 不同轴压比试件第一主应力云图

Figure 11. Contours of the first principal stress with different axial load ratios

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图 12 不同轴压比时柱中峰值位移

Figure 12. Peak mid-span displacements with different axial load ratios

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图 13 不同空心率时试件的柱中位移时程曲线

Figure 13. Time history of mid-span displacement with different hollow ratios

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图 14 不同空心率时试件的第一主应力云图

Figure 14. Contours of the first principal stress with different hollow ratios

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图 15 不同含钢率试件柱中位移时程曲线

Figure 15. Time history of mid-span displacement with different steel ratios

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图 16 不同含钢率试件的第一主应力云图

Figure 16. Contours of the first principal stress with different steel ratios

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图 17 内层钢管径厚比不同的试件柱中位移时程曲线

Figure 17. Time history of mid-span displacement with different diameter-thickness ratios of inner tube

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图 18 不同含钢率试件的第一主应力云图

Figure 18. Contours of the first principal stress with different diameter-thickness ratios of inner tube

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图 19 外层钢管径厚比不同试件的柱中位移时程曲线

Figure 19. Time history of mid-span displacement with different-diameter thickness ratios of outer tube

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图 20 外层钢管径厚比不同试件的第一主应力云图

Figure 20. Contours of the first principal stress with different diameter-thickness ratios of outer tube

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图 21 内层钢管强度不同试件的柱中位移时程曲线

Figure 21. Time history of mid-span displacement with different strengths of inner tube

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图 22 内层钢管强度不同试件的第一主应力云图

Figure 22. Contours of the first principal stress with different strengths of inner tube

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图 23 外层钢管强度不同试件的柱中位移时程曲线

Figure 23. Time history of mid-span displacement with different strengths of outer tube

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图 24 外层钢管强度不同试件的第一主应力云图

Figure 24. Contours of the first principal stress with different strengths of inner tube

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表 1 位移传感器参数

Table 1. Parameters of LVDTs

行程/mm	机械行程/mm	线性精度/%	电阻/kΩ	解析度	重复性精度/mm	使用温度/℃
125	132	0.08	5	Infinite无断解析	0.01	-60~150

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表 2 压力传感器参数

Table 2. Parameters of pressure sensors

灵敏度/(mV·kPa^-1)	分辨率/kPa	量程/MPa	最大过载/MPa	谐振频率/kHz	温度范围/℃	瞬时温度/℃
0.15 ±0.007	0.69	69	103.4	≥500	-73~135	1 650

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表 3 试件实验参数

Table 3. Experiment parameters of specimen

编号	轴压/kN	Z/(m·kg^-1/3)	空心率	放置方式
C4A	0	0.41	0.25	顶面齐平
C5A	1 000	0.41	0.25	顶面齐平
C4B	0	0.41	0.25	中面齐平
C5B	0	0.52	0.25	中面齐平
C6A	1 000	0.37	0.25	中面齐平
C6B	1 000	0.37	0	中面齐平

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表 4 不同折合距离下的反射超压

Table 4. Overpressure with different scaled distances

Z/(m·kg^-1/3)	p_r/MPa
0.37	85.4
0.41	82.4
0.52	44.1

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表 5 UHPSFRC本构关键参数

Table 5. Key parameters of UHPSFRC material model

b₁	b₂	b₃	LocWidth	OMEGA
1.75	1.35	1.15	0.025 4	0.5

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表 6 关键参数对比

Table 6. Comparison of key parameters

D_f/mm		误差/%
实验	模拟	误差/%
50.5	51.6	2.2

D_p/mm		误差/%
实验	模拟	误差/%
20.9	21.1	1.0

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表 7 关键参数对比

Table 7. Comparison of key parameters

u	D_f	D_p
0	51.6	21.1
0.4	36.0 (-30.2%)	17.4 (-17.5%)
0.6	-	-
注：小括号内数字表示相对于u=0时所得结果的误差，“-”表示试件丧失承载能力。

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表 8 关键参数对比

Table 8. Comparison of key parameters

Ψ/%	D_f/mm	D_p/mm
6.25	45.0 (-12.8%)	19.6 (-7.7%)
25.00	51.6	21.1
56.25	88.6 (71.7%)	69.3 (228%)
注：小括号内数字表示相对于Ψ=25.00%时所得结果的误差。

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表 9 关键参数对比

Table 9. Comparison of key parameters

α_sc/%	D_f/mm	D_p/mm
18.3	76.6 (48.4%)	54.4 (157.8%)
31.0	51.6	21.1
44.0	40.6 (-21.3%)	11.2 (-46.9%)
注：小括号内数字表示相对于α_sc=31.0%时所得结果的误差。

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表 10 关键参数对比

Table 10. Comparison of key parameters

D/t_i	D_f/mm	D_p/mm
17.7	57.3 (11.0%)	27.5 (30.3%)
11.0	51.6	21.1
8.1	47.9 (-7.2%)	18.4 (-12.8%)
注：小括号内数字表示相对于D/t_i=11.0时所得结果的误差。

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表 11 关键参数对比

Table 11. Comparison of key parameters

H/t_o	D_f/mm	D_p/mm
33.3	66.6 (29.1%)	40.7 (93.0%)
20.0	51.6	21.1
14.3	43.1 (-16.5%)	12.8 (-39.3%)
注：小括号内数字表示相对于H/t_o=20.0时所得结果的误差。

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表 12 关键参数对比

Table 12. Comparison of key parameters

钢材	D_f/mm	D_p/mm
Q235	51.6	21.1
Q345	50.7 (-1.7%)	19.1 (-9.5%)
Q390	50.5 (-2.1%)	18.3 (-13.3%)
注：小括号内数字表示相对于内层钢管钢材为Q235时所得结果的误差。

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表 13 关键参数对比

Table 13. Comparison of key parameters

钢材	D_f/mm	D_p/mm
Q235	51.6	21.1
Q345	48.4 (-6.2%)	13.3 (-37.0%)
Q390	47.7 (-7.6%)	18.3 (-47.4%)
注：小括号内数字表示相对于外层钢管钢材为Q235时所得结果的误差。

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参考文献(20)

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1. 小倾角爆炸焊接实验
2. 结果与分析
2.1 波形参数
2.2 剪切强度
3. 数值模拟
4. 结论

圆形中空夹层钢管超高性能钢纤维混凝土柱抗爆性能野外实验与数值模拟

doi: 10.11883/1001-1455(2017)04-0649-12

作者简介: 徐慎春(1986-)，男，博士

通讯作者: 刘中宪，zhongxian1212@163.com

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出版历程

Field blast test and numerical simulation of ultra-high performance steel fiber reinforced concrete-filled double skin steel tube column under blast loading

1. 小倾角爆炸焊接实验

2. 结果与分析

2.1 波形参数

2.2 剪切强度

3. 数值模拟

4. 结论

计量

出版历程

目录

1. 小倾角爆炸焊接实验

2. 结果与分析

2.1 波形参数

2.2 剪切强度

3. 数值模拟

4. 结论

作者简介:
徐慎春(1986-)，男，博士

通讯作者:
刘中宪，zhongxian1212@163.com