哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
摘要
钢材作为最常见的建筑金属材料，其强度决定了建筑结构中钢构件的截面
大小和钢材用量。在保持钢材良好韧性、延性和加工性的前提下，高屈服强度
的钢材是建筑结构尤其是大跨度空间结构、超高层结构的首选，具有广阔的应
用前景。建筑结构可能会受到施工设备坠落冲击，汽车飞机撞击，山体滑坡泥
石流冲击，战争中的炮弹攻击，以及地震后建筑物之间的相互撞击等冲击荷载
的作用，特别自911恐怖袭击事件以来，冲击荷载对建筑结构的影响越来越受
到人们的关注。侧向冲击作用下高强钢构件的动态响应特征将显著影响到建筑
结构受到冲击荷载后的损伤情况和继续承载能力，对其开展冲击响应研究是保
证结构冲击防护能力的重要基础。为此，本文对S550高强圆钢管构件通过试
验、数值仿真、理论分析等方式，对高强钢长管与短柱构件分别开展侧向与轴
向冲击响应研究，主要研究内容包括：
（1）对15个高强钢材性试件进行了准静态单轴拉伸材性试验，获得了应
力–应变曲线、弹性模量E、屈服强度?和极限强度?等力学性能指标，并得到
yu
真实应力–应变曲线，最后，基于Cowper–Symonds模型确定了考虑应变率效应
的高强钢动态本构关系模型。
（2）采用落锤式冲击试验装置，开展22根高强圆钢管的侧向冲击试验，
记录了冲击力、总位移、整体位移及应变的全过程时程曲线，获得了构件在侧
向冲击与预加轴力共同作用下的全过程响应特征，对侧向冲击破坏模式进行了
定义与分类，并与无预加轴力试件的侧向冲击响应结果进行了对比。基于试验
现象与结果分析，考察了径厚比、轴压比、锤头、冲击能量对试件侧向冲击响
应结果与冲击破坏程度的影响规律。
（3）基于ANASY/LS-DYNA有限元分析平台，建立了高强圆钢管侧向冲
击下的数值模型，分别采用隐式与显式算法进行构件的预加轴力施加与侧向冲
击过程模拟分析，并将有限元数值模拟与试验结果进行对比，验证了数值方法
的准确性与适用性。开展高强圆钢管构件在侧向冲击与轴向力耦合作用下的动
力响应参数分析，提取构件冲击力、位移、变形后的截面形状等响应结果，探
究了截面尺寸、构件长度、材料强度、冲击动能、冲击动量、冲击位置、冲击
角度、轴压比大小等因素对构件整体及局部变形的影响规律。
（4）开展9根高强钢圆管短柱构件的轴向冲击试验，获得了冲击力及位移
时程曲线、轴向冲击破坏形式，比较了不同径厚比和冲击速度下试件的破坏特
-I-
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点及响应特征。基于ANASY/LS-DYNA建立了高强钢圆管短柱轴向冲击下的有
限元模型，探究了构件外径、壁厚、高度，冲击质量、速度对轴向冲击响应的
影响。基于Alexander提出的薄壁圆管构件叠缩变形模型，提出了高强圆钢管短
柱构件在轴向冲击作用下的平均压缩力计算公式，并将理论预测结果与试验及
数值模拟结果进行对比，验证了该公式的适用性。
关键词：高强钢；圆钢管；侧向冲击；轴向冲击；冲击响应
-II-
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Abstract
Asthemostcommonbuildingmetalmaterial,thestrengthofthesteeldetermines
thecross-sectionalsizeofsteelcomponentsandsteelusageinbuildingstructures.Onthe
premiseofensuringgoodtoughness,flexibility,andworkabilityofsteel,high-yield
strengthsteelisthep