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爆炸荷载作用下钢筋混凝土结构的动态响应行为与损伤破坏机理

师燕超  
【摘要】: 近年来,世界范围内恐怖爆炸袭击频繁发生,另一方面建筑物内部因燃气泄露、电器老化或易燃易爆物存放不当而引发的意外爆炸也时有发生。这些突发性爆炸事故,不仅会直接造成爆源附近人员的严重伤亡和财产的严重损失,而且所产生的强烈的爆炸冲击波作用到周围建筑物上,会引起建筑物发生剧烈的振动并出现损伤破坏,甚至会导致建筑物因某些关键结构构件的失效而丧失承载平衡,致使结构发生局部或整体的连续倒塌,因而引发更为严重的灾害。为了揭示突发性爆炸事故中建筑结构的损伤破坏机理和连续倒塌机制,本文从爆炸冲击波与结构柱的相互作用过程的模拟及作用于结构柱上的爆炸荷载的预测,钢筋混凝土结构构件在爆炸荷载作用下的动态响应和损伤破坏分析及损伤程度的评估,以及钢筋混凝土框架结构在爆炸荷载作用下因关键结构构件失效后发生连续倒塌的分析等三个方面,系统研究了爆炸荷载作用下钢筋混凝土结构的动态响应行为与损伤破坏机理,主要研究工作和创新成果包括以下几个方面: (1)研究了爆炸冲击波与结构柱相互作用的模拟方法及作用于结构柱上的爆炸荷载的预测方法。针对目前作用于建筑结构上的爆炸荷载的确定方法均基于反射面为无穷大的假定,而不适用于预测建筑外部爆炸情况下作用于结构柱上的爆炸荷载的情况,通过显式有限元动力分析软件AUTODYN,建立了爆炸波传播及其与结构柱相互作用的数值模拟方法,并提出了消除数值模拟中网格尺寸效应的一种数学修正方法。通过参数分析,研究了结构柱各参数对爆炸波与结构柱的相互作用以及作用于结构柱上的爆炸荷载的影响,研究表明,柱顶支承质量与柱质量的比值和柱的刚度对爆炸波与结构柱相互作用的影响均不明显;而结构柱的截面形状和尺寸对爆炸波与结构柱的相互作用及作用于结构柱上的爆炸荷载的影响较为明显。据此提出了结构柱前、后表面上任意点处爆炸荷载参数的预测公式,并建立了结构柱前、后表面上各点处爆炸超压时程曲线的简化模型。 (2)研究了爆炸荷载作用下钢筋混凝土柱的动力响应和破坏模式。基于非线性有限元技术,通过显式有限元动力分析软件LS-DYNA,建立了爆炸荷载作用下钢筋混凝土柱动力响应及损伤破坏的数值模拟方法,方法中考虑了纵向钢筋与混凝土之间的粘结滑移。通过参数分析,研究了影响钢筋混凝土柱动力响应及损伤破坏的关键因素,研究表明增加柱的截面惯性矩、混凝土轴心抗压强度和箍筋配箍率,均能在一定程度上降低钢筋混凝土柱的动力响应,从而提高其抗爆性能。进一步研究了爆炸荷载作用下钢筋混凝土柱的可能破坏模式,研究表明,在冲量荷载作用下,钢筋混凝土柱倾向于发生剪切破坏;在准静态荷载作用下,钢筋混凝土柱倾向于发生弯曲破坏;而在动力荷载作用下,钢筋混凝土柱更容易发生弯剪破坏。 (3)研究了爆炸荷载作用下钢筋混凝土柱损伤程度的评估方法。针对目前确定结构构件P-I曲线进而评估其损伤程度的方法均不能应用于工程实际的情况,建立了判定爆炸荷载作用下钢筋混凝土柱破坏程度的一种新的基于竖向剩余承载力的破坏准则,据此提出了确定钢筋混凝土柱P-I曲线的一种简化数值模拟方法,同时建立了爆炸荷载作用下任意钢筋混凝土矩形柱P-I曲线的预测公式,并对比分析了所建立的预测公式与目前常用的基于单自由度体系的预测方法的有效性。研究表明,与基于单自由度体系的预测方法相比,所建立的预测公式能够更准确地预测爆炸荷载作用下钢筋混凝土柱的P-I曲线,从而能够更为准确地评估爆炸荷载作用下钢筋混凝土柱的损伤程度。 (4)研究了爆炸荷载作用下钢筋混凝土框架结构连续倒塌的分析方法。目前常用的结构连续倒塌分析方法中,直接模拟法虽然准确、可靠,但由于计算量大,且对使用者要求高,因此不适用于工程应用;替代传力路径法虽然简单、易用,但由于忽略了结构构件的初始损伤和非零初始条件,因此不够准确、不够可靠。针对现有方法的上述局限性,并基于替代传力路径法的基本思路,提出了爆炸荷载作用下钢筋混凝土框架结构连续倒塌分析的一种新方法,根本解决了分析中临界炸药起爆位置和炸药量的确定以及结构构件初始速度、初始位移和初始损伤的确定及数值模拟等问题。应用所提出的新方法以及直接模拟法和替代传力路径法,对比分析了一钢筋混凝土框架结构在爆炸荷载作用下的连续倒塌过程,验证了所提出的新方法的有效性。研究表明,与直接模拟法相比,所提出的新方法可靠、准确,且方便、实用,适用于工程应用;与替代传力路径法相比,所提出的新方法方便、实用,且分析结果更加准确、可靠。


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