爆炸荷载作用下一种新型防护结构的静力分析
封闭空间内爆载荷下结构响应试验及仿真研究
封闭空间内爆载荷下结构响应试验及仿真研究
徐敬博;卢安格;周沪;郑成;孔祥韶
【期刊名称】《舰船科学技术》
【年(卷),期】2024(46)10
【摘要】TNT在封闭空间内爆炸会发生燃烧反应并释放大量的能量,这些附加能量会对内爆载荷起到增强作用,为分析封闭空间内爆炸载荷作用下的结构动态响应。
开展封闭空间爆炸试验,通过试验数据对称性验证,说明试验中压力测试结果准确可靠;然后开展数值计算研究,并探讨板厚、屈服应力和边界约束3个因素对靶板结构动态响应的影响。
数值计算与试验结果的准静态压力吻合较好,靶板中心点初始峰值位移和最终位移的误差均小于5%,验证数值计算方法的可靠性;靶板中心点初始峰值位移和最终位移增大比例与板厚减小比例相当;靶板中心点初始峰值位移减小比例约为屈服应力增大比例的0.2倍,而最终位移的减小比例约为屈服应力增大比例的0.4倍。
所采用的数值计算方法能够很好地模拟结构在封闭空间爆炸载荷作用下的响应,可为舰船抗爆结构设计提供一定参考。
【总页数】9页(P34-42)
【作者】徐敬博;卢安格;周沪;郑成;孔祥韶
【作者单位】中国船舶及海洋工程设计研究院;武汉理工大学船海与能源动力工程学院;武汉理工大学绿色智能江海直达船舶与邮轮游艇研究中心
【正文语种】中文
【中图分类】U661.4
【相关文献】
1.近距空爆载荷作用下双层防爆舱壁结构抗爆性能仿真分析
2.空爆载荷下功能梯度泡沫铝夹层板动响应数值仿真
3.近距空爆载荷下钢板/聚脲复合结构动响应特性仿真
4.基于CONWEP法空爆载荷下船体结构动态响应研究
5.空爆载荷下碳纤维梯形波纹夹芯结构响应分析
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水下爆炸载荷作用下加筋圆柱壳结构静动态协同优化设计
（ 江苏科 技大学 船舶 与海洋工程学 院，江苏 镇江 ２ １ ２ ０ ０ ３ ） 摘 要： 通过集成有 限元分析软件和优化程序 ， 建立 了静动态协 卜 刁 优化的多学科优化设计模 型． 在静 力学学科级优化 中以静
水压力作用下结构质量最小为 同标函数 ； 在动力学学科级优化 中以水下爆炸 冲击 波载荷作 用下 结构的最大变形值最小为 日 标 函数． 在系统级优化 中以协调优化 目标值 和独立优化 日标值之间差异最小为 目标函数． 采用 由多岛遗传算法构成 的二级优 化策略 ， 最后对加筋圆柱壳结构进行了优化设计． 分析表 明： 优化后结构不仅具有更轻的质量 ， 而且结 构的动力 响应大幅度下
ｔ ｏ ｕ ｎｄｅ ｒ ｗａ ｔ ｅ ｒ ｅ ｘ ｐｌ ｏ ｓ ｉ ｏ ｎ ｓ ｈｏ ｃ ｋ ｗａ ｖ ｅ ｓ
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（ Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｎ ａ ｖ ａ ｌ Ａｒ ｃ ｈ ｉ ｔ ｅ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ａ ｎ ｄ Ｏ ｃ ｅ ａ ｎ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ，Ｊ ｉ ａ ｎ ｇ ｓ ｕ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ，Ｚ ｈ ｅ ｎ ｊ ｉ ａ ｎ ｇ Ｊ ｉ ａ ｎ ｇ ｓ ｕ ２ １ ２ ０ ０ ３Ｓ ｔ ａ ｔ ｉ ｃ ａ ｎ ｄ ｄ ｙ ｎ ａ ｍｉ ｃ ｃ ｏ ｌ ｌ ａ ｂ ｏ ｒ ａ ｔ ｉ ｖ ｅ ｏ ｐ ｔ ｉ ｍｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｍｏ ｄ ｅ １ ｏ ｆ ｃ ｙ ｌ ｉ ｎｄ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ ｓ ｈ ｅ ｌ ｌ ｓ ｔ ｒ ｕｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ｉ ｓ ｃ ｏ ｎ ｓ ｔ ｕｃ ｒ ｔ ｅ ｄ ｉ ｎ ｔ ｈ ｉ ｓ
爆炸荷载的特点及简化分析方法
框架结构的单元离散模型
组合弹簧模型
爆炸荷载分析研究进展
数值模拟法
1
ANSYS， ABAQUS等
精细有限元法
精细化建模方式计算准确，但是很难 应用于大型建筑物倒塌的分析
有限 元法
3
2
简化有限元法
简化建模方式适用于大型建筑物的倒塌 分析，但是对力学行为复杂区域的模拟 又不够准确
混合有限元法
混合建模方式则能够综合前两 种方法的优点。
爆炸荷载分析研究进展
试验法
Izzuddin 等提出可以与移柱法结合使用
拟静力 加载法
的拟静力加载法。 该方法假设所有重力荷载做的功等于
结构所吸收的应变能，试验时重力荷
载通过电液伺服作动器施加在失效柱 的上部柱顶，失效柱则用机械千斤顶 代替，试验过程中千斤顶逐级卸载
现状及展望
现状
1
现有的基于等效单自由度法或者模态近似法的解析方法，由于不能考虑钢筋混凝 土结构材料的应变率效应、忽略了快速加载引起的惯性约束作用对结构材料属性 的影响、对结构构件的质量分布过度简化、忽略剪切变形与弯曲变形的耦合效应 等等，导致其分析结果精度不高、可靠度低。
天津滨海新区爆炸事故
爆炸荷载的特点
爆炸是一种能量迅速释放的过程，这个过程中主要由化学能转化为动能和其他形式的能量， 不仅对人们的生命造成威胁，还对冲击波范围内的建筑物造成严重的损坏。外部爆炸荷载对于建 筑结构的作用通常可分为 3个过程
1.爆炸冲击波对接近爆炸源的结构外围竖 向构件产生向内的推力
2. 冲击波对楼板及梁等水平构件产生向上 的推力
谢 谢！
Baylot 和 Bevins 等研究了1:4的RC框架中非结构性外墙对 爆炸荷载的影响。
气爆炸的等效均布静力荷载pk
气爆炸的等效均布静力荷载pk
气爆炸的等效均布静力荷载PK，通常用来分析建筑或结构在
气爆炸荷载作用下的承受能力。
具体计算方法如下：
1. 确定爆炸荷载的特征参数，包括爆炸当量、距离、压力波形等。
2. 根据爆炸荷载的特征参数，计算等效均布静力荷载的幅值。
3. 确定等效均布静力荷载作用的位置和方向。
4. 将等效均布静力荷载作用于建筑或结构，进行静力分析。
5. 根据静力分析结果，评估建筑或结构在气爆炸荷载作用下的安全性能。
需要注意的是，气爆炸的荷载分布不同于常规荷载，具有非线性、冲击性、瞬时性等特点，因此在进行等效均布静力荷载计算时，需要考虑这些特点，并采用相应的计算方法和理论模型。
同时，还需要结合具体工程实际情况，进行合理的参数选择和假设，以确保计算结果的准确性和可靠性。
爆炸冲击载荷作用下板壳结构数值仿真分析
第37卷第4期STRUCTURE & ENVIRONMENT ENGINEERING V ol.37, No.4 爆炸冲击载荷作用下板壳结构数值仿真分析王飞1陈卫东2（1北京强度环境研究所，北京 100076；2哈尔滨工程大学航天与建筑工程学院，哈尔滨 150001）摘要：主要针对爆炸冲击载荷作用下板壳结构的试验破坏问题，利用LS-DYNA有限元分析软件，采用非线性动力学分析计算方法，考虑材料非线性和结构非线性等因素，模拟分析了板壳结构在接触爆炸冲击载荷作用下的动态响应。
计算分析结果与试验结果相吻合，利用有限元分析方法能很方便解释试验过程和现象，为试验分析提供有效依据。
关键词:接触爆炸；板壳结构；动态响应；数值模拟中图分类号：U611.4 文献标识码：A 文章编号：1006-3919(2010)04-0036-04The numerical simulation analysis of the shell structuresubjected to contact explosionWang Fei1 Chen Weidong2(1 Beijing Institure of Structure and Enviroment Engineering, Beijing 100076, China2 College of Astronautics and Civil Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)Abstract: Aiming at the experimental damage problem of shell structure subjected to explosion impact load, the dynamic response of shell structure subjected to contact explosion impact load is simulated with the useof the finite element analysis software LS-DYNA , and using the nonlinearity dynamic analysis method, considering the material nonlinearity and structural nonlinearity. The analysis results and experimental results coincide with, the finite element method is very easy to explain the experimental process and experimental phenomenon, provide the effective basis for experimental analysis.Key words: contact explosion; shell structure; dynamic response; numerical simulation1 引言接触爆炸冲击载荷作用下板壳结构的变形和破损是非常复杂的非线性动态响应过程，既存在结构和材料变形时的非线性问题，又涉及到材料的流固耦合问题。
爆炸荷载的特点及简化分析方法
爆炸荷载分析研究进展
试验法
Sasani 和 Sagiroglu对圣地亚哥的一家宾馆进行了实体爆 炸试验。
整体结构 的研究
试验表明在爆炸冲击波作用下，钢筋混凝土梁发生快速弯 曲，后面板出现拉裂缝，前面板出现压裂缝。同时，由于自由 表面(后表面)产生的反射拉伸波，梁的后表面发生了散裂。随 着爆炸质量的增加，钢筋混凝土梁的破坏模式由整体弯曲断裂 向塑性铰裂破坏、严重剥落剥落转变。
爆炸荷载分析研究进展
试验法
结构构件 的研究
Zhang 等对 ＲC 梁在近爆情况下的 破坏特性进行了试验研究，并研究 了不同比例爆距下 ＲC 梁的破坏形 态和损伤程度。 试验表明在爆炸冲击波作用下，钢 筋混凝土梁发生快速弯曲，后面板 出现拉裂缝，前面板出现压裂缝。 同时，由于自由表面(后表面)产生 的反射拉伸波，梁的后表面发生了 散裂。随着爆炸质量的增加，钢筋 混凝土梁的破坏模式由整体弯曲断 裂向塑性铰裂破坏、严重剥落剥落 转变。
载、等效屈服抗力等物理量。
构建一个等效的单自由度结构体系，用于计算原结构构件
在动力荷载作用下的最大位移响应。
爆炸荷载分析研究进展
解析法
等效单自由度法计算模型
ME(t) 、KE(t) 、PE(t)——分别为等效质量、等效刚度、等效荷载
爆炸荷载分析研究进展
解析法
模态近 似法
最早由Martin和Symonds提出 假定爆炸荷载作用下结构构件的变形遵循一定的规律
案例分析
2015年8月12日，位于天津 市滨海新区天津港的瑞海公司 危险品仓库发生火灾爆炸事故， 造成165人遇难、8人失踪，798 人受伤（伤情重及较重的伤员 58人、轻伤员740人），304幢 建筑物、12428辆商品汽车、 7533个集装箱受损。截至2015 年12月10日，直接经济损失 68.66亿元。
某石油化工控制室抗爆结构分析与设计
某石油化工控制室抗爆结构分析与设计谢庆红;于业栓【摘要】以某石油化工控制室为例,介绍了抗爆设计的原则,按照等效静力计算方法对该工程的抗爆结构进行了动力分析,并依据抗爆墙承载力、质点震动周期、延性比等计算结果,提出了设计建议.【期刊名称】《山西建筑》【年(卷),期】2015(041)004【总页数】2页(P30-31)【关键词】抗爆结构;动力计算;延性比;弹塑性转角【作者】谢庆红;于业栓【作者单位】中海油山东化学工程有限责任公司,山东济南250101;山东交通学院,山东济南250357【正文语种】中文【中图分类】TU352.13控制室作为石油化工企业生产装置的指挥中心，具有监控装置生产过程的功能，是装置界区内的关键部位。
由于石油化工企业生产过程中易燃、易爆物质较多，且生产过程经常在高压、高温等条件下进行，装置发生爆炸的概率也相应增加。
爆炸发生后，控制室一旦被破坏将会使整个厂区陷于瘫痪，装置的不可控又可能会产生次生灾害，造成严重的财产损失，甚至威胁人员的生命安全。
因此，石油化工装置中的关键部位，尤其是作为工厂装置神经中枢的控制室，必须采用合理的抗爆设计，一方面应确保内部工作人员的生命安全并控制设备装置的正常运行操作，另一方面能够在爆炸发生时，采取合理控制措施，尽可能将爆炸危害控制在最小程度[1]。
1.1 爆炸及爆炸荷载作用爆炸是物质内含的能量，在一定环境条件下触发后瞬间集中释放的现象。
石油化工行业中的爆炸可分为蒸气云爆炸、压力容器爆炸、凝液相爆炸和粉尘爆炸四个基本形式，由于其生产性质，最常发生的是可燃气体、液体的蒸气与空气混合物的爆炸，即蒸气云爆炸。
当发生爆炸时，爆心区在瞬时内产生极高压力，于是形成一股高压气流，从爆心以超过声波速度向四周推进，其前沿犹如一道压力墙面，空气冲击波的高压直接作用于结构，相当于一般地区地震荷载的数倍。
爆炸冲击波的量级和形态取决于能量释放的特性和距爆炸中心的距离。
1.2 抗爆结构设计依据相对美、英等国家而言，我国在建筑结构物抗爆防护方面研究起步较晚，且多是面向军事防爆建筑的，针对工业及民用建筑方面研究较少，石油化工类抗爆设计主要依据的规范也大都参考国外规范制定。
爆炸冲击荷载作用下框架柱简化分析模型研究
爆炸冲击荷载作用下框架柱简化分析模型研究
李国强;孙建运;王开强
【期刊名称】《振动与冲击》
【年(卷),期】2007(026)001
【摘要】爆炸冲击荷载作用下结构的反应分析属于典型的动力学问题,由于爆炸冲击荷载作用位置的局部性和作用时间非常短暂,结构构件的抗爆分析与地震荷载作用下的动力分析有显著不同,结构构件抗爆分析具有明显的局部性,结构构件在爆炸冲击波荷载作用下的受力与整体结构关系不大,只与受力构件周围一定范围内的结构构件刚度有关,在爆炸冲击荷载作用下,可以把结构构件简化为考虑端部约束条件的单根杆件进行分析.本文以理论分析为基础、以ANSYS通用大型有限元分析软件为工具,研究了柱端约束条件对框架柱在爆炸空气冲击波作用下分析结果的影响,提出了一种框架柱抗爆分析计算的简化模型,对结构抗爆分析研究和设计具有指导意义.
【总页数】5页(P8-11,20)
【作者】李国强;孙建运;王开强
【作者单位】同济大学建工系,上海,200092;同济大学建工系,上海,200092;同济大学建工系,上海,200092
【正文语种】中文
【中图分类】O3
【相关文献】
1.反复荷载作用下型钢混凝土异形柱框架边节点力学性能试验研究 [J], 薛建阳;王玮;刘义;刘祖强;赵鸿铁
2.爆炸冲击荷载作用下SRC柱等效单自由度模型 [J], 孙建运;李国强;陆勇
3.爆炸冲击荷载作用下钢框架节点性能研究 [J], 谭继可
4.钢框架柱抗爆简化分析模型研究 [J], 杨涛春;李国强;陆勇;陈素文
5.水平低周反复荷载作用下预应力叠合框架柱与整浇框架柱的对比分析 [J], 卜乐奇
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工程结构抗爆技术的研究现状
第39卷 第5期2007年10月西安建筑科技大学学报(自然科学版)J1Xi’an Univ.of Arch.&Tech.(Natural Science Edition)Vol.39 No.5Oct.2007工程结构抗爆技术的研究现状史春芳,徐赵东(东南大学土木工程学院,江苏南京210096)摘 要:由于恐怖袭击活动越来越频繁,爆炸对生命和财产造成的危害极其严重,所以国内外学者进行了大量关于爆炸的试验和分析.在总结国内外大量关于抗爆研究文献的基础上,阐述了建筑结构常用的抗爆方法.主要从材料和结构形式两方面进行了说明.文中介绍了几种防爆结构的分析方法,包括能量分析方法、有限元分析方法以及反应谱分析方法,分析了抗爆研究的难点和方向.这对了解和掌握防爆的基本方法和研究现状,进行建筑结构防爆的深入研究具有指导意义.关键词:冲击荷载;抗爆措施;结构分析方法中图分类号:O327 文献标识码:A 文章编号:100627930(2007)0520616205 自从1968年在英国发生了一起由爆炸导致的一座名为Ronan Point建筑的坍塌开始,人们对建筑遭受爆炸荷载作用给予了广泛关注.根据报告,在1993～1997年,在美国共有8000多件爆炸事件,共有3000多人受伤,300多人死亡,造成直接经济损失60多亿美元;2001年9月11日,美国又发生了震惊世界的“9・11”恐怖主义袭击事件,使纽约世贸中心两个400多米高的塔楼倒塌,死亡近3000人,经济损失不可估量,对人类造成的精神恐惧更是难以平息[122].采用工程措施能大幅度减少恐怖爆炸袭击带来的危害.因此,怎样提高工程结构抗爆能力,一直是国内外研究的重点.1 工程结构抗爆措施由于爆炸事件的频繁发生,以及其产生的日益严重的后果,如何提高工程结构的综合防护能力,是工程结构必须解决的问题.以下从材料与结构两个方面概述抗爆技术的研究进展.1.1 抗爆材料的研究目前在国内外使用多孔材料或轻质材料设计多层复合结构已经成为防爆研究的热点,研究主要集中在高分子材料和泡沫金属材料,主要有:硬质聚氨酯泡沫塑料、聚丙稀纤维、钢纤维、泡沫铝、橡胶混凝土、高阻抗混凝土等的引入也大大提高了结构的抗爆性能.硬质聚氨酯泡沫塑料是一种密度小、价格低、成型容易的多孔介质,具有很好的吸收动能的特性,能够缓和冲击、减弱振荡、减低应力幅值.且随着应变速率的增加(在一定应变速率范围内),硬质聚氨酯泡沫塑料的屈服强度逐渐增加.因此硬质聚氨酯泡沫塑料可以在防护工程中用作抵御武器爆炸的打击,起到很好的抗爆、隔爆的作用[324].许多研究人员,对其本构关系,吸能能力以及隔爆性能进行了理论分析和试验研究,研究表明通过与刚性层结合使用可以达到很好的效果.但是,硬质聚氨酯泡沫塑料对变形的应变率有一定的敏感性,且密度对其力学性能及隔爆性能影响很大.聚丙烯纤维混凝土将合成化学纤维和传统的混凝土相结合,具有抗干塑性收缩裂缝、抑制收缩、降低渗透性、降低磨耗以及提高抗冲击性能和抗疲劳性能等特点[5].不过对其性能的研究主要是集中在静力性能的研究,对其动态性能的研究很局限,其中强度提高比值是研究材料动力性能的一个关键因素.对于不同强度等级的混凝土,存在不同的最佳纤维体积掺量,较高的强度等级应对应较高的纤维体积掺量.钢纤维混凝土就是在普通混凝土中掺入适量钢纤维而成的一种新型复合材料,是近年来在国际和3收稿日期:2007201209 修改稿日期:2007206212基金项目:国家自然基金项目(50508010);教育部新世纪优秀人才支持计划;江苏省创新人才自然基金项目(B K2005410);东南大学优秀青年骨干教师项目作者简介:史春芳(19832),女,山西长治人,硕士研究生,从事结构震动控制研究1国内迅速发展的新型复合材料,它以其优良的抗拉、抗弯、抗剪、阻裂、耐冲击、耐疲劳、高韧性等性能被广泛应用.试验研究表明[6],高强高掺量钢纤维混凝土是应变率敏感材料,其应变率敏感值随其静压强度的增加而提高,随着钢纤维体积分数与长径比的增加,抗冲击能力加强.仍有一些问题有待解决,钢纤维混凝土的材料本构关系、数值模拟、断裂性能的研究等.泡沫铝是近20多年才出现的一种新型多功能材料,是由少量铝金属骨架及大量气泡所组成的金属材料,它兼有连续金属相和分散空气相的特点,气泡所造成的疏松孔洞结构,使得泡沫铝具有较高的孔隙率,研究表明[728]泡沫铝是一种极具潜力的吸能缓冲材料,具有很高的冲击吸能本领.对于如何设计吸能性能更为良好的结构以及如何选择合适密度已经成为人们关注的问题.橡胶混凝土是以混凝土为基材,掺入胶粉制成的土木工程复合材料,胶粉作为细小的料群起着类似弹性纤维的作用,能减小体系的各种应力和约束微观裂纹,从而减少裂纹产生及阻止或减缓微裂纹发展而导致的混凝土断裂;同时形成吸收应变能的结构变形中心,大量吸收振动能量,明显改善混凝土的抗冲击性能与抗爆裂性能[9].目前的研究仍处于初级阶段,其研究多集中于耐久性能、减震性能和抗爆裂性能等使用性能方面.对宏观乃至微观性能进行系统研究,建立完善的理论体系和试验研究方法,才能从根本上解决橡胶混凝土研究和应用中存在的问题.1.2 防护结构的研究随着各种武器的威力和效能大大提高,对建筑物、车辆、人员的伤害越来越严重,随之对防护结构的要求也越来越高.组合结构在防护结构中具有重要的地位,主要有:钢板-泡沫材料复合结构、箱形钢板-钢筋混凝土组合结构、碳纤维复合材结构、预应力结构.钢板-泡沫材料复合结构是由上、下钢面板和内置多排波纹形钢筋焊接组成骨架后,在经高压注入泡沫材料.由于夹芯中采用了拉筋抗剪和增强技术,因此这种结构的强度高,刚度大,并克服了常用夹层板易出现剪切破坏的难题.研究表明[7],该种结构具有良好的抗变形能力,但对于该种结构形式的破坏形态、刚度匹配、加入其他泡沫材料等方面仍需要进一步的研究.石少卿等[10],对箱形钢板钢筋混凝土组合结构这种新型的防护结构和普通钢筋混凝土结构在相同爆炸荷载下的响应进行了数值模拟和对比分析,箱形钢板-钢筋混凝土结构具有自重轻,抗弯抗扭刚度大等特点,能大大提高结构的抗爆能力.对于该种结构的研究可以考虑在箱形结构中加入吸能材料,进一步改善结构的抗爆性能.近年来美国Karagzian &Case 公司、我国解放军理工大学等研究单位,对碳纤维复合材料提高构件的抗爆性能做了大量的试验和理论分析,包括对柱、梁、板和填充墙的加固.与现有加固方法相比较,碳纤维布加固技术在工程中应用具有明显的技术优势,主要表现在高强高效,良好的耐腐蚀性能、抗渗性能及耐久性能,不增加构件的自重及体积,能有效封闭混凝土裂缝,适用面广,抗疲劳性能和减振性能好,便于施工,施工质量容易保证等[11].但仍有以下问题需要研究,包括材料的动力性能,爆炸荷载下结构的破坏模式、加固量对构件抗爆性能的影响,加固理论分析及设计方法等.预应力混凝土结构具有截面尺寸小、承载能力强、抗裂性能好、空间利用率高和综合经济效益显著等优点,但是,由于迄今为止国内外在预应力混凝土结构抗爆性能方面的研究开展得很少,国内只有李砚召等人做过少量研究,国外也只有美国海军土木工程试验室和日本北海道发展局等少数几个单位开展了这方面的研究.研究表明[12213]:设计合理的预应力混凝土梁板柱等结构具有很好的延性,不会发生令人担心的脆性破坏,完全可以用于抗爆结构.在这方面仍有很多问题需要进一步研究.2 抗爆结构的分析方法防护工程结构的动力计算是一项比较困难的课题,以下主要从能量分析方法、有限元分析方法、反应谱分析方法三个方面对抗爆结构进行概述.工程结构在爆炸荷载作用下,结构的动力方程为:[M ]{x ¨}+[C]{x ・}+[K]{x}={F}(1)式中:[M ]、[C]和[K]分别为结构的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵;{x ¨}、{x ・}和{x}分别为结构的加速716第5期 史春芳等:工程结构抗爆技术的研究现状度、速度和位移向量;{F}为作用在结构上的爆炸荷载.2.1 能量分析法能量分析法的思想是指在爆炸荷载作用下,输入结构的能量必须与结构体系内部能量的存储、转换相平衡.结构构件在爆炸荷载作用下可以归纳为三类荷载区:准静态荷载区、脉冲荷载区和动态荷载区.在准静态荷载区,构件的变形能近似等于爆炸荷载所做的功;在脉冲荷载区,构件的变形能等于构件因爆炸荷载作用而产生的动能;在动态荷载区,构件的变形能等于荷载消失前所做的功与消失时构件动能之和,由于爆炸荷载的复杂性,所以此种情况下的分析比较复杂.爆炸荷载作用下的结构构件能量平衡关系可表示为[17](S・E)1+K・E=KW(2)(S・E)2=K・E(3)式中:KW为爆炸荷载所做的功;K・E为荷载消失时构件所具有的动能;(S・E)1为荷载消失前构件应变能;(S・E)2为荷载消失后构件达到最大位移时所增加的应变能.当荷载作用时间很短暂,构件没有发生变形时,荷载已经消失,则简化为脉冲荷载区,能量平衡表示为:(S・E)2=KW(4)若荷载持续时间很长,当构件达到最大位移时,荷载仍然存在,则简化为准静态荷载区,能量平衡表示为:(S・E)1=KW(5)对于动荷载区,(S・E)1和(S・E)2都同时存在,两者存在耦合关系,没有理想的简化关系.2.2 有限元分析法[14215]爆炸动力学过程非常复杂,很难进行精确的解析分析,数值分析是有效的近似手段.数值分析的精度依赖于描述物质的模型,如本构关系、状态方程等.目前描述爆炸作用下的物质模型还不完善,物质对爆炸载荷的响应方程均是近似的,但在大多数情况下,可以通过选择合适的物质模型,使计算结果与实验结果吻合,这样数值计算可以提供整个过程的物理图象,使我们对过程中发生的现象有清晰的理解,指导下一步工作[16].对解决工程实际问题,数值解往往能从多方面描述体系的力学机理,反映其受力实际,达到最近的计算效果,而对于一些高度非线性的动力问题,则都更有赖于数值逼近.有限元法用于动力计算的特点是对时、空域的双重离散.爆炸冲击波引起得强度和变化规律不仅与武器的爆炸当量和爆炸方式有关,而且与爆炸场的结构特征与爆心距离等因素相关,当冲击波传到结构上,又发生反射、透射和衍射等复杂的相互作用,结构动力反应在理论上的研究变得非常困难.对于空间场的离散,防爆结构模型中,炸药采用高爆炸药材料和J W L状态方程模拟:p=A11-ωR1Ve-R1V+B11-ωR2Ve-R2V+ωEV(6)式中:p为爆轰产物的压力;V是相对体积;E是单位体积炸药内能;A1、B1、R1、R2、ω均为J WL状态方程参数.对于地下结构的模拟,结构与介质均假定为弹塑性,并用Mises屈服准则描述,且考虑其几何非线性的影响,使用了人为阻尼边界,模拟半无限空间,减少边界反射造成的计算误差,并使计算模型的几何尺寸满足限制性条件.对于时域的离散,采用直接逐步时间积分,常用的数值积分方法有:中心差分方法的显示积分、Wil2 son2θ法的隐式积分、Newmark法的隐式积分等.在显示格式中,多数情况下要求列出整体刚度矩阵公式,避免了大型的矩阵运算,但是有条件稳定的;对于隐式积分,是无条件稳定的,但遇动载幅度的变化很快时(冲击型动载即如此),为了计算精度需要,时步值选用要求仍需严格控制.2.3 反应谱分析法[17]由于爆炸冲击是典型的复杂振荡型冲击,所以在试验室环境下很难真实地再现它的时域特性,线性隔震设计规范用反应谱来作为模拟爆炸冲击环境标准.反应谱常用的计算方法有“数值计算法”、“三系数法”、“分量谱法”.数值计算法是通过求解单自由度二阶系统对爆炸震动加速度信号u¨g(t)的响应u(t)、u・(t)和u¨(t),由此可在时间长度T范围内求解下述三个量:816 西 安 建 筑 科 技 大 学 学 报(自然科学版) 第39卷S a (ω;ξ)=|u ¨(t )+u ¨g (t )|max S v (ω;ξ)=|u ・(t )|max S d (ω;ξ)=|u (t )|max (7)S a (ω;ξ)、S v (ω;ξ)、S d (ω;ξ)即为绝对加速度反应谱、相对速度反应谱、相对位移反应谱.三系数法是由场地的加速度、速度和位移的衰减规律计算出基础震动加速度峰值a max 、速度峰值v max 、位移峰值d max .并根据大量实测加速度信号的归一化反应谱计算结果,确定放大系数.但对于大多数化爆试验仅测量加速度信号,位移和速度测试数据较少,一般都是由加速度信号经基线修正、积分得出,误差较大.分量谱法是美国土木工程学会《抗核武器结构设计手册》介绍的方法.它是建立空气冲击波拍击引起的波、体波、表面波的归一化的冲击分量谱,总反应谱假设为各个谱分量的包络图.该方法可以给出反应谱的最佳估计,但需要给定的参数多,计算复杂.冯进技、谢清粮提出了频率特征值法,构建的反应谱基本包络了实测波形反应谱.3 抗爆研究的难点和方向由于爆炸产生的脉冲荷载具有高度的非线性,并且一般只有几毫秒到十几毫秒的瞬间完成,因此结构的爆炸动力响应十分复杂.(1)爆炸空气冲击波特性及结构所遭受到的爆炸空气冲击波荷载,一直是爆炸动力学和结构工程抗爆设计的研究热点,现在的研究主要集中在可燃性云雾、可燃性气体等不同物质的爆炸特性、爆炸空气冲击波在室内和街道之间的传播特性以及冲击波超压的随机性研究等方面.(2)爆炸空气冲击波荷载由于受到爆炸源(炸药装药)、传播介质(土、水、空气等)、周围环境(室外、室内、周围建筑物等)的影响而变化,所以准确模拟爆炸冲击波荷载是一项非常困难的工作.(3)对于钢筋混凝土材料,由于混凝土在爆炸冲击波荷载作用下的复杂性,钢筋与混凝土粘结关系的复杂性,仍然没有非常满意的材料模型去模拟.(4)另外钢筋混凝土材料在爆炸空气冲击波荷载作用下的动力特性也是抗爆结构设计研究的难点和热点.(5)防止建筑结构在爆炸冲击波荷载作用下的连续性倒塌.4 结语大量的工程事例及国内外的研究表明:工程结构的防爆具有十分重要的意义.虽然已取得令人欣喜的成果,但仍然存在问题,需要进一步的研究.参考文献 R eferences[1] Baant Z P ,Zhou Y.Why Did the World Trade Center Collapse Simple Analysis [J ].Journal of Engineering Mechan 2ics ,2002,128(1):226.[2] Corley W G.Lessons learned on Improving Resistance of Building to Terrorist Attacks[J ]1Journal of Performanceof Constructed Facilities ,2004,18(2):68278.[3] 陈网桦,朱卫华.硬质聚氨酯泡沫塑料隔爆性能的研究[J ].爆炸与冲击,1997,17(3):2812284.CH EN Wang 2hua ,ZHU Wui 2hu.G ap test investigation of rigid polyurethane foam plastics[J ].Explosion and shock waves ,1997,17(3):28122841[4] 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Engineering and Retrofitting ,2005,27:90292.Anti 2explosion technology in engineering structureS H I Chun 2f ang ,X U Zhao 2dong(School of Civil Engineering ,SEU ,Nanjing 210096,China )Abstract :The increasing number of terrorist attacks have posed a severe threat on lives and properties .Experiments and analyses on explosion have been carried out by many researchers.In this paper ,the usual blast 2resistant methods of build 2ing structure have been proposed on the basis of plenty of documents ,including material and structure.Several kinds of analytic methods on explosion preventing structures are systemically introduced ,including energy analysis ,finite element analysis ,as well as response spectrum analysis.The direction and difficulties of anti 2explosion researches are proposed.It is very usef ul for the reader to understand the basic ways and research status about the structure.It is also very helpf ul for the reader to research the architecture and structure engineering to resist blast load.K ey w ords :I m pact L oad ;resisting blast measures ;st ructure anal ysis method026 西 安 建 筑 科 技 大 学 学 报(自然科学版) 第39卷3Biography :SHI Chun 2fang ,Candidate for Master ,Nanjing 210096,P.R.China ,Tel :0086225213813955670,E 2mail :shichunfang998@。
地下箱形结构在爆炸冲击荷载作用下的动力反应分析
（． ｅ ａｔ ｎ ｆ ｖｌ ｎ ｉｅｒ ｇ Ｔ ｉｇ ｕ ｉｅｓｔ ，ｅｊ ｇ １０ ８ ， ｈｎ ； １Ｄ ｐ ｒｍｅ ｔ ｉＥ ｇｎ ｅｉ ， ｓｎ ｈ ａＵｎｖ ｒｉ Ｂ ｉｎ ０ ０ ４Ｃ ｉａ ｏ Ｃｉ ｎ ｙ ｉ
ａ ｈ ｉ ｅｏ ｈ ｍ ｎ ｔｔ ｅ ｔ ｐ ｓｄ ｆ ｈ ｍ ，ｗｈ ｃ ｒ ａ ｃ ｌｔ ｄ ｂ ｈ ｕ ｅ ｉａ ｉ ｌ ｔ ｎ ｓ ｆｗａ ｅ ｔｔ ｅ ｓｄ ｆｔ ｅ ａ ｄ ａ ｈ ｏ — ｉ ｅｏ ｅ ｔ ｉ ｈ ａ ｅｃ ｌ ｕ ａ ｅ ｙ ｔ ｅ ｎ ｍ ｒｃ ｌ ｍｕ ａ ｉ ｏ ｔ ｒ — ｓ ｏ
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关键词 ：常规 武 器 ； 箱形 结构 ； Ｓ ＤＹＮＡ； 力反应 Ｌ— 动
中图分 类 号 ： ８ Ｏ３ ３
文 献标识 码 ： Ａ
Ｄｙ ａ ｃｒｓ ｏ ｓ ｆ ｎ ｅ ｇｏ ｎ ｏ ｔｕ ｔｒｓｓ ｂｅ ｔ ｄｔ ｌｓ ｌａ ｎ ｍｉ ｅ ｐ ｎ ｅｏ ｄ ｒｒ ｕ ｄｂ ｘｓｒｃｕｅ ｕ ｊｃｅ ｏｂａ ｔ ｏ ｄ ｕ
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为了更清楚的了解箱形钢板2钢筋混凝土组合
结构抗爆炸性能 ,本文对在相同的荷载作用下普通 钢筋混凝土结构和箱形钢板2钢筋混凝土组合结构 的响应作了对比 。为方便计算处理 ,箱形钢板2钢 筋混凝土组合结构的模型 ( 见图 1) 采用 2m 长 、 016m 宽 、0122m 高的长方体厚板 ,中间由 10mm 厚 的钢板焊接围成 3 个孔洞 ,底部均匀布置 6 根直径 为 12mm 的 HRB400 钢筋 ,截面尺寸详见图 2 。普 通钢筋混凝土结构的计算模型采用同样尺寸的长 方体厚板 ,配筋量及位置均相同 ,中间为没有孔洞 的实心混凝土 。
因此 ,箱形钢板2钢筋混凝土组合结构是一种 新型的抗爆炸防护结构体系 。在抗爆炸结构中除 了提高结构抵抗能力外 ,提高结构的吸能能力也是 很重要的 ,在本文中的箱形结构中加入吸能材料 , 如橡胶等 ,是很好的选择 ,也是今后研究的内容 。
参考文献 :
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石少卿1 ,2 , 张湘冀2 , 尹 平2
(11 重庆大学结构工程博士后流动站 ,重庆 400045 ;21 后勤工程学院军事土木工程系 ,重庆 400041)
摘 要 : 运用 ANSYS 大型有限元软件 ,对箱形钢板2钢筋混凝土组合结构这种新型的防护 结构和普通钢筋混凝土结构在相同爆炸荷载下的响应进行了数值模拟和对比分析 ,得出了较 满意的结果 ,说明该结构在抗爆炸领域中具有很高的应用价值 。
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2003 年第 1 期 石少卿等 :爆炸荷载作用下一种新型防护结构的静力分析
组合结构在防护结构中具有重要地位[2] 。目 前关于组合结构的研究非常多 ,但大多集中在钢筋 混凝土结构内粘钢板或碳纤维方面 。本文运用 ANSYS 大型有限元软件 ,对箱形钢板2钢筋混凝土 组合结构这种新型的防护结构和普通钢筋凝土结 构在相同爆炸荷载下的响应进行了数值模拟 ,由于 箱形钢板2钢筋混凝土组合结构具有自重轻 、抗弯 抗扭刚度大等特点 ,能够大大提高结构的抗爆炸能 力 。经数值分析计算证明 ,该结构是一种比较理想 的抗爆炸防护结构 。
第
23 卷 第 1 2003 年 3 月
期
地 下 空 UNDERGROUND
间 SPACE
Vol. 23 Mar.
No. 2003
1
文章编号 :10012831X(2003) 0120066203
爆炸荷载作用下一种新型防护结构的静力分析Ξ
4 结论及展望
从以上分析可以得出如下结论 : (1) 从图 6 、7 可以看出 :箱形钢板2钢筋混凝土 组合结构的最大位移明显小于普通钢筋混凝土结 构 ,主要是因为钢板焊接成的箱形结构提高了结构 截面的抗弯模量 ,在抵抗爆炸荷载时 ,起到很大的 作用 ,有效地降低了结构的变形 ,可以防止底部混 凝土过早开裂 。
固粘接 ,无相对滑移 。 (2) 模型沿长度方向两端约束为简支 。 (3) 计算时不考虑保护层的作用 。 (4) 钢板 、钢筋及混凝土的应力应变关系见
图 3 、图 4 。
爆炸冲击波的超压峰值与等效的 TNT 装药量 及爆心距目标点的距离有关 ,爆炸冲击波的超压作 用时间都很短 ,一般在几毫秒左右 ,考虑到爆炸荷 载有一段升压时间而且荷载作用随时间呈指数衰 减关系 。根据计算和爆炸的实际情况 ,在不失一般 性的基础上 ,将荷载作用时程曲线简化为一条曲线 (见图 5) [3] 。爆炸荷载以均布力形式垂直作用于 模型的上表面 ,并按荷载时程曲线变化 。
两种结构跨中部位中间钢筋各时刻的应力对 比见表 4 :
应力对比表 (注 :时间 :10 - 3 s ,应力 :106 Pa)
表4
时间 普通结构 箱形结构
0. 884 2. 734 2. 224
1. 92 81. 94 71. 69
2. 95 170. 34 94. 61
3. 3 189. 07 114. 25
4. 68
5. 523
6. 75
8. 23
9. 42
276. 05 137. 87
287. 70 132. 21
297. 21 81. 56
273. 14 11. 31
12. 02 - 42. 96
(2) 从图 8 、9 和表 4 可以看出 :由于钢板箱形 结构承受了大部荷载 ,使得钢板2钢筋混凝土箱形 结构中的钢筋的应力降低 ,增强了结构的承载力储 备 ,降低了结构底部过早被震塌的可能性 。
68
地 下 空 间 第 23 卷
图 7 箱形钢板2钢筋混凝土组合结构 模型跨中的位移时程曲线
图 8 普通钢筋混凝土结构模型 跨中部位中间钢筋的应力时程曲线
图 9 箱形钢板2钢筋混凝土组合结构模型 跨中部位中间钢筋的应力时程曲线
三 、模拟过程及结果
在 ANSYS 模 拟 分 析 过 程 中 , 钢 板 采 用 SHELL43 单元 ,钢筋采用 LINK8 单元 ,混凝土采用 SOLID65 单元 。分别计算了普通钢筋混凝土结构 、 箱形钢板2钢筋混凝土组合结构在跨中的位移时程 曲线 ,见图 6 、图 7 。
同时还计算了普通钢筋混凝土结构 、箱形钢板 2钢筋混凝土组合结构在跨中部位中间钢筋各时刻 的应力随时间的变化情况 ,见图 8 、图 9 。
109
·DISASTER PREVENTION , ENVIRONMENT· Static Analysis of the Ne w Defensive Structure under Explosive Loading …………… SHI Shao2qing et al (66) [ Abstract ] Using the finite element software ANSYS , a numerical analysis is done for the response of composite box structure of steel plate2reinforced concrete and normal reinforced concrete structure under the same explosive loading. The comparative analysis between the two structures is presented. It is proved that the new defensive structure is worth applying. [ Keywords ] defensive structure ; blast wave ; composite box structure
图 1 计算模型示意图 (单位 :mm)
在数值模拟中采用了以下假定 : (1) 钢筋与混凝土及钢板与混凝土之间均为牢
Ξ 收稿日期 :2002212210 作者简介 :石少卿 (19662) ,男 ,浙江人 ,副教授 ,博士 。从事防护结构抗冲击 、抗爆炸研究 。 基金项目 :总后科研项目资助 :编号 41A1C51
Study on Prevention and Control of Fire in Highway Tunnel ………………………… CHEN Li2dao et al (72) [ Abstract ] In this paper , the problems concerning with the fire prevention , material selection as well as the traffic or2 ganization , fire fighting , ventilation and smoke exhaust and refuge of the personnel during fire were investigated. The design of fire prevention was expounded taking the tunnel through the river in Shanghai as an example. [ Keywords ] highway tunnel ; fire in tunnel ; design of fire fighting ; fire prevention
图 3 钢板 、钢筋的应力应变关系图
图 5 爆炸荷载时程曲线
图 4 混凝土的应力应变关系图
图 6 普通钢筋混凝土结构模型 跨中的位移时程曲线
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Research on Natural Ventilation in Tunnel with Vertical Shaft …………………… ZENG Yan2hua et al (69) [ Abstract ] In this paper the natural ventilation pressure in the tunnel with vertical shaft is studied with the theory of natural ventilation pressure of loops. It suggests that there were changes in magnitudes and directions of the natural ventilation pressure , which will affect the primary fan’s work in the vertical shaft . Therefore , attention must be paid in the ventilation design and ventilation operation management . [ Keywords ] natural ventilation pressure ; natural ventilation pressure of loops ; vertical shaft ; primary fan