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爆炸荷载作用下轻钢柱动力响应及破坏模式数值分析

刘蕾  
【摘要】:随着我国轻钢结构在工业及民用建筑方面的普遍应用和其自身优点,广泛应用于大型公共建筑等领域。一旦遭受意外爆炸荷载作用,不但会带来人员伤亡和财产损失,而且会严重损害公共形象。爆炸发生时,梁柱等受力构件若发生破坏,极易引起建筑物的整体倒塌,所以,对轻钢柱在爆炸荷载作用下的动力响应和破坏机理的研究倍受关注并急需解决的课题。 如今,数值计算不仅被看作是理论研究和实验研究的辅助手段,而且它已经成为独立于理论和实验之外的一种基本的科学研究方法。20世纪60年代以来,各国的爆炸力学工作者,尤以美国三大国防实验室为代表进行了大量的爆炸力学数值计算工作,对于许多过去无法计算的复杂问题进行了成功的计算,使数值模拟技术在分析此类问题时发挥无可替代的作用。 本文利用LS-DYNA程序对两种类型轻钢柱在爆炸荷载作用下的动力响应与破坏模式进行了有限元数值分析,并提出了动力位移简化计算方法等。主要工作内容包括以下几个方面: (1)通过与国外论文实例对比,验证了本文研究中数值模拟方法的合理性。 (2)爆炸荷载作用下轻钢柱动力响应的理论分析。爆炸问题是涉及了大量的非线性瞬态动力学问题,其数学模型的核心是一组非线性偏微分方程,根据问题的主要性质进行简化,推导出连续系统在爆炸荷载作用下动力响应的理论解。 (3)模拟分析了工字钢截面柱动力响应的主要影响因素。分析了约束条件、轴压比和“比例距离”对位移和应力响应的影响规律,并通过定义破坏准则总结了三种典型破坏模式—弯曲破坏、剪切破坏与弯剪联合破坏。所提出的破坏模式可为工程结构抗爆设计与施工提供参考。 (4)模拟计算方钢管混凝土柱在爆炸荷载作用下的动力响应和破坏机理。着重分析了两种不同约束情况且承受不同爆炸冲击荷载时的动力响应,破坏模式与理论计算结果相一致。结果表明,方钢管混凝土柱具有良好的延性和优越的抗爆性能。 (5)引入动力系数,简化动力荷载作用下轻钢柱柱中位移的计算方法。为了消除柱的尺寸效应、边界条件等对动力系数曲线的影响,绘制了三种不同长细比柱的动力系数曲线,可方便实际工程中预估爆炸荷载作用下轻钢柱柱中位移值。 (6)最后,总结了全文所做的工作,并展望了进一步研究工作方向。


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