中心内爆作用下单层球面网壳爆炸荷载及失效机理研究

【摘要】：大跨空间结构被广泛地应用于各种综合体育场馆、交通枢纽车站、航站楼、综合型会展中心,以及集群式工业厂房等大型公共设施。近年来,由于恐怖袭击和偶然事故引发爆炸而导致结构发生破坏的事故频繁发生。作为城市地标性建筑的大跨空间结构不仅聚集了大量的人流,而且还承担着一定的政治意义,此类建筑一旦遭受爆炸将会造成不可估量的经济损失。因此,开展爆炸作用下大跨空间结构的研究具有重要意义和很高的应用价值。当前对于爆炸作用下的结构响应研究仍然较多地集中于构件层面或者尺寸较小的简单结构体系,爆炸作用下大跨空间结构的相关研究成果还比较少,并且存在着许多尚未解决的问题。例如,爆炸荷载因其所作用目标物的形状不同而变化,现有的资料无法为大跨空间结构的爆炸荷载分布提供直接有效的荷载数据;大跨空间结构爆炸荷载的相关试验空缺,导致关于爆炸荷载的数值模拟所得到的结论缺乏检验标准;爆炸作用下大跨空间结构的失效机理尚不明确,无法为大跨空间结构的抗爆设计提供有效的建议;由于受到计算能力的制约,一直以来使用传统的流固耦合方法对大跨空间结构爆炸问题的分析效率低下,导致许多基于大规模计算的研究工作都无法得以顺利地开展。基于以上的种种问题,本文以单层球面网壳内部中心爆炸问题为研究对象,进行系列研究,开展的主要研究内容如下:(1)针对大跨空间结构缺乏爆炸荷载相关试验的研究现状,设计并开展了球壳内部中心爆炸的测压试验。并通过对壳面上典型位置的爆炸荷载采集,研究了中心内爆作用下球壳爆炸荷载的特点及分布规律。根据球壳自身的几何特性,提出了适用于球壳中心内爆荷载的仿真方法,并建立了简化的二维计算模型,通过两项爆炸试验测压数据对AUTODYN模拟完全约束爆炸荷载的方法及参数设置的正确性进行了验证。(2)根据球形曲面壳体结构的特点,结合考察球壳内部爆炸荷载的主要特性,提出了适用于大跨空间结构爆炸荷载的简化原则。根据爆炸相似律,建立了研究大尺寸球面网壳内爆荷载的有效方法,并对比例距离,矢跨比和高跨比三个参数对爆炸荷载的影响进行了研究,得到了球形壳体内部爆炸荷载的分布规律。基于对内爆荷载分布的参数分析结果,建立了可广泛应用于球面网壳中心内爆荷载预测的简化荷载模型。对荷载模型的使用方法进行了介绍,并对其预测球壳内爆荷载的精度进行了验证。(3)通过LS-DYNA建立了爆炸作用下单层球面网壳的有限元模型;为了在爆炸作用分析中考虑重力作用的影响,提出了一种能够考虑重力影响的结构响应分析技术。基于大量时程分析算例,定义了内爆作用下单层球面网壳的五种失效模式,并对其动力响应特性及其失效机理进行了阐述。通过荷载参数及结构参数的变化,分别给出了内爆作用下单层球面网壳失效模式的分布规律。(4)对内爆作用下单层球面网壳失效模式的反直观现象展开研究,通过总势能理论,从能量的角度解释了微折双杆体系发生反直观现象的根本原因,并使用数值模拟的方法从大量算例中获得了其发生反直观现象的临界荷载。进一步讨论了悬臂梁出现各种失效模式的内在原因,并通过数值计算验证了爆炸作用下悬臂梁和网壳结构的五种典型失效模式。通过对悬臂梁内部初始应力状态对其最终失效模式影响的讨论,研究了自重作用对悬臂梁反直观现象的影响。然后,通过总势能图揭示了单层球面网壳在爆炸及自重的共同作用下失效模式出现反直观现象的本质。最后,依据以上成果对网壳结构的抗爆防倒塌设计提出具体建议。