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外爆荷载下K8型单层球面网壳的损伤模型与损伤评估研究

孙振宇  
【摘要】:大跨空间网壳结构多作为一个地区的标志性建筑,很可能成为恐怖袭击的目标。在爆炸冲击作用下,结构一旦失稳造成局部或整体倒塌,将造成巨大的灾难和负面影响。因此,研究网壳结构在爆炸荷载作用下的动态响应、失效模式、损伤机理和损伤评估方法具有重要意义。与其他民用建筑相比,网壳结构体型庞大、空间布局复杂使得对该类结构形式进行爆炸有限元数值分析尤为困难。为此,本文以有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA为分析平台,针对外部爆炸荷载作用下的60m跨度K8型单层球面网壳结构,将改进的ALE算法(Coupling)与爆炸粒子法(PBM)引入到大跨度网壳结构爆炸响应分析中,并与流固耦合算法(ALE)、CONWEP算法在结构动力响应有限元分析中的精度、适用性和计算效率等方面进行了对比。通过与爆炸荷载经验公式、钢板爆炸实验结果的对比,四种爆炸数值模拟算法的准确性和可靠性得到了验证。四种算法下网壳响应的对比结果表明:PBM的计算结果在最大结点位移时程曲线、杆件位移云图、结构各组成部分平均塑性应变、结点位移时程曲线等方面与ALE、Coupling、及CONWEP三种算法下的响应结果规律相同,在比例距离较大时与其他算法差异较大,但其适用性广且计算效率较ALE大大提高;Coupling较ALE可节省部分空气单元,特别对于远距离爆炸荷载具有较大优势;CONWEP适用范围小,但计算效率最高,可用于网壳在无障碍物情况下的外爆响应分析。采用CONWEP算法,研究了炸药质量与距离、矢跨比、屋面荷载、跨度等参数对网壳在外爆荷载作用下强度破坏极限状态响应的影响规律,结果表明:矢跨比越小的网壳抗爆性能越好;重屋面、大跨度网壳虽然极限承载力较高,但强度破坏极限状态时网壳杆件塑性发展的广度和深度都较小,材料利用率不高;在大量分析算例的基础上,拟合得到K8型单层球面网壳结构损伤因子(Ds)表达式,并将损伤因子与不同损伤程度破坏时的物理现象相对应,定义了K8型单层球面网壳在外爆荷载下的四种破坏模式:轻度破坏,中度破坏,重度破坏,倒塌。将P-I曲线引入到网壳结构在外爆荷载下的损伤评估中,提出了适用于绘制网壳结构P-I曲线的数值方法,并给出典型网壳的P-I曲线;总结了网壳结构P-I曲线的变化规律及特点,为网壳结构在外爆荷载作用下的损伤评估提供了有效手段。


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