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爆炸荷载作用下考虑损伤时的混凝土构件响应分析

李巧燕  
【摘要】: 在当前和平与发展的时代,恐怖主义也在蔓延,恐怖爆炸活动对国际社会的和平和安宁造成了很大的威胁,无论是在防护结构还是在工业、民用建筑结构中,通常都需要考虑爆炸冲击荷载的作用,研究结构在爆炸冲击荷载作用下的动力响应成为工程领域中十分重要的课题。本文选取了复杂结构中一种最基本的构件—混凝土板,对其在爆炸荷载作用下的响应进行了研究分析。由于混凝土是一种多孔的脆性材料,在浇注、成形初期不可避免地会存在着毛细孔、空隙及材料的裂隙等缺陷,即存在初始损伤,在外界因素作用下,特别是爆炸荷载作用下,混凝土中的裂隙会迅速劣化,形成新的损伤,损伤积累到一定程度时,混凝土体中将出现宏观裂缝,最后宏观裂缝扩展交织直至混凝土体完全破坏,同时混凝土还是一种率敏感性材料。所以在分析爆炸作用对板的影响时考虑损伤和应变率效应是非常有必要的,本文对爆炸荷载作用下考虑损伤和应变率效应时的混凝土板进行了理论分析和数值模拟,主要成果包括以下几个方面: 提出了问题研究的意义,概述了爆炸荷载作用下混凝土板的研究现状以及混凝土损伤力学的研究现状和研究发展趋势,对空气爆炸的基本概念以及混凝土损伤理论和损伤模型作了简单总结和比较。利用能量解析法,对固支混凝土方板在爆炸荷载作用下考虑损伤弱化和应变率强化效应的中点挠度作了理论分析,得出了如下结论:随着折合距离的不断增大,荷载峰值不断减小,板的挠度也在不断减小;考虑应变率效应时的挠度比不考虑时的小,相差64.2%-80.1%;考虑损伤时板的挠度比不考虑时的要大,相差6.8%-7.9%;两者都考虑时板的挠度比两者都不考虑时要小,相差61.4%-76.0%,可知考虑应变率效应和损伤效应是很有必要的。应用有限元软件ANSYS/LS-DYNA对爆炸荷载作用下的混凝土板进行了数值模拟,建模时采用SOLID164实体单元,材料模型为111号材料JOHNSON_HOLMQUIST_CONCRETE,并采用简化的指数形式的爆炸荷载,文中比较分析了不同折合距离下混凝土板的各特殊部位节点的Z向位移、速度、加速度和Mises等效应力等的变化规律,分析了在不同折合距离时板的能量耗散特征和损伤状况。得出了当折合距离约为2.0时,爆炸荷载对混凝土板的影响可以忽略不计,板的损伤从板的边缘开始的结论。通过对理论计算和数值模拟结果进行对比,可知二者在一定范围内具有很好的一致性。 这些工作为进一步研究爆炸荷载作用下考虑损伤和应变率效应时的混凝土板奠定了基础,也为工程实践提供了依据。


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