论文部分内容阅读
当今世界资源争夺加剧,各种国家、民族、宗教矛盾越来越尖锐,致使国际恐怖主义迅速蔓延,恐怖爆炸事件接连发生。在这种大环境下,建筑结构在恐怖爆炸作用下连续倒塌问题的研究成为了防护工程领域的一项重要课题。许多国家都已经将建筑结构倒塌分析及设计方法编写进了其设计规范中,我国对这类问题的研究还处于起步阶段,成果储备薄弱,规范在这方面还是一片空白。因此,本文旨在为这类问题的研究工作提供有效的计算及试验方法,基于在实际工程中广泛应用的钢框架结构,从爆炸空气冲击波数值计算,结构抗爆、抗倒塌计算方法及倒塌冲击荷载作用下结构响应的角度,开展了如下所述的研究工作:
(1)对爆炸空气冲击波数值计算时炸药和空气的有限元网格尺寸影响计算精度这一问题进行研究,通过大量的计算探讨了不同网格尺寸划分方法对爆炸空气冲击波峰值的影响,建议了采用均匀划分方法时的网格尺寸与炸药体边长的比例系数,并且利用了冲击波高频分量对其峰值的影响随着爆心距的变大逐渐变弱这一特性,建立了一种渐进网格划分方法,给出了渐进的比例系数。计算不同当量炸药爆炸的结果表明:此方法不但具有广泛的适用性,而且在计算精度与计算效率之间取得了很好的平衡。
(2)基于显式有限元软件,结合美国GSA规范,建立了一种爆炸荷载激励下结构连续倒塌的有限元仿真分析方法。在此方法中,使用流固耦合算法考虑爆炸空气冲击波与结构之间的相互作用；采用动力松弛算法考虑结构的初始应力状态；采用接触算法考虑倒塌过程中结构构件之间及其与地面之间的碰撞；使用删除失效单元的方法考虑结构构件的破坏和失效。并应用此方法,针对一栋钢框架结构,仿真分析了炸药爆炸-空气冲击波传播-构件失效-结构破坏-连续倒塌的全过程,探讨了有楼板和无楼板情况下,底层中柱、底层边柱和底层角柱遭受爆炸袭击时,结构构件的破坏状态和连续倒塌机理。各工况计算结果表明:此方法可以较为真实、准确地模拟结构连续倒塌的全过程,是结构爆炸倒塌研究的一种有效手段。
(3)针对有限元仿真方法计算量大,操作复杂,实际应用困难这一问题,建立了一种爆炸冲击下结构连续倒塌分析的简化方法,在此方法中利用简化的爆炸荷载考虑爆炸空气冲击波对结构构件的作用；利用非线性梁单元模拟结构构件；并通过杆单元接触判定算法考虑结构构件之间的相互作用。通过与爆炸激励结构连续倒塌有限元仿真方法进行对比发现:此简化连续倒塌分析方法可以有效的考虑爆炸荷载的作用、结构构件的破坏、结构内力重新分布乃至连续倒塌的全过程。此外,这种方法应用更加方便,计算耗时更少,并且可以取得理想的计算结果。
(4)分别对普通结点连接和消弱型结点连接的二梁三柱体系进行了静力和动力试验,研究钢框架梁柱体系由于突发荷载(如爆炸、汽车撞击等)作用,结构中柱丧失承载能力,非平衡力系瞬间冲击作用下结构的响应,测试了倒塌冲击荷载的动力系数；探讨了残余结构内力重分配过程中,支座竖向反力、水平反力和约束弯矩的变化关系；并得出了瞬间加载时材料的应力-应变关系。由于消弱型钢框架梁柱结点在抗震工程中得到广泛应用并取得了良好的效果,本文通过试验及理论分析的方法对其抗倒塌性能进行了研究。研究结果表明:现有的钢框架梁柱结点焊接工艺在倒塌冲击荷载作用下非常薄弱有待加强,消弱型梁柱结点有助于提高焊接结点的抗倒塌能力。