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近些年，恐怖袭击爆炸事件及日常生产生活中由于违规操作导致的各种意外爆炸事故频发。大跨空间结构常作为一个区域的标志性公共建筑，如果遭遇爆炸，将造成重大的人员伤亡和设施损坏，带来不可估量的经济损失和恶劣的社会影响，所以该种结构在服役期间需具备一定的抗爆防护能力。因此，开展大跨空间结构抗爆性能和防护方法的研究具有重要的社会和经济意义。
当前对大跨空间结构在爆炸作用下的相关研究成果还比较少，存在着诸多尚未解决的难题。在爆炸荷载方面，缺少可靠的试验数据作为分析复杂曲面结构上爆炸荷载时空分布特征和变异性特征的依据，适用于指导大跨空间结构设计的外爆荷载模型还是空白；在结构动力响应方面，对大跨空间结构在外爆下动力响应模式及失效机理的揭示还存在不足；在数值仿真技术方面，目前已提出多种数值方法在得出的结果和计算效率两方面都有比较大的差异，缺少针对性的校核试验以建立高效、可靠的有限元数值分析模型。因此，本文基于可靠性的抗爆设计思想，以单层球面网壳为研究对象，综合理论分析、数值模拟和场地试验等手段，从概率的角度研究结构抗爆过程中荷载和结构的各种不确定因素，并揭示结构的外爆响应机理，建立结构的外爆响应概率模型，以上成果可为构建和发展大跨空间结构抗爆防护理论提供重要的技术基础。本文主要进行如下几方面的工作：
1.球壳表面测压试验及荷载特性研究
设计并开展了外爆下不同下部支承高度、不同矢跨比的球壳表面测压试验，考察了爆炸距离、炸药量等爆炸参数对结构上爆炸荷载时空分布的影响，获得了可靠的爆炸荷载时空分布实测数据；对比分析了爆炸冲击波在平面靶体和曲面靶体上反射行为的差异性，并建立了适用于研究外爆下球壳上爆炸流场的有限元仿真模型。基于参数化分析，进一步探讨了爆炸参数和球壳结构相关几何参数对结构上爆炸荷载分布规律的影响。在此基础上，提出了适于描述球壳结构上外爆荷载的方法；结合外部地爆下球壳表面上爆炸荷载时空分布特性和结构上爆炸荷载相似率原则，建立了具有广泛适用性的球壳外爆荷载模型。
2.球壳表面外爆荷载不确定性及概率模型研究
针对带有下部支承的刚性球壳模型进行了6种工况、共计120次独立采样爆炸场地试验，获得了与反射超压、正冲量、正相持时和衰减指数等爆炸荷载参数相关的480个样本。通过对爆炸荷载各参数进行不确定性分析，优选相应的概率描述模型，发现正态分布是各爆炸荷载参数的最优分布；通过计算爆炸荷载样本的均值和变异系数统计量，建立了球壳上外爆荷载概率分布模型。基于分位数，提出了球壳结构上具有一致保证率的外爆荷载模型；对基于平面靶体反射的CONWEP法预测球壳结构上爆炸荷载的适用性进行了评估，发现CONWEP法较大程度低估了迎爆面爆炸荷载，且无法给出具有一致保证率的球面爆炸荷载分布，不适用于球面壳体抗爆设计。
3.单层球面网壳外爆试验及失效机理研究
为了考察球面网壳结构在外爆下的失效模式，设计并制作了小尺寸的Kiewitt-6型单层球面网壳试验模型，开展了一系列弹性和破坏性场地试验，获得了三种典型的响应模式。将多种数值仿真方法的结果与试验结果进行对比分析，证明了本文提出的基于球面上爆炸荷载模型的单向耦合法在研究外爆下单层球面网壳响应中的优越性。基于大量的参数化分析，探讨了单层球面网壳在外部地面爆炸下的响应规律，总结并定义了外爆下网壳结构的四种响应模式，从能量分配和吸收的角度揭示了外爆下单层球面网壳的失效机理。通过大量的多重响应全荷载域时程分析，归纳出单层球面网壳在外爆下可能发生动力失稳和强度破坏两种倒塌方式。
4.网壳结构外爆动力响应不确定性分析
首先采用局部灵敏度法，考察了构件的几何和材料参数以及爆炸参数的不确定性对结构响应的影响，发现杆件截面面积和各爆炸参数为响应的高敏感因子。在此基础上，基于Sobol’全局灵敏度分析法和拉丁超立方抽样法，考察了高敏感输入参数不确定性与结构响应不确定性间的传递规律，建立了单层球面网壳外爆下动力响应概率模型。评估了多种确定性的响应研究方法的保证率，发现CONWEP法不适合用于球面网壳的响应求解；而基于提出的具有一定物理意义的球面中位值荷载法所得的结果可作为响应的中位值解，适用于求解外爆下球面网壳的动力响应；1.2倍质量增长因子法一定程度上可作为工程结构快速预判可靠性的方法。
当前对大跨空间结构在爆炸作用下的相关研究成果还比较少，存在着诸多尚未解决的难题。在爆炸荷载方面，缺少可靠的试验数据作为分析复杂曲面结构上爆炸荷载时空分布特征和变异性特征的依据，适用于指导大跨空间结构设计的外爆荷载模型还是空白；在结构动力响应方面，对大跨空间结构在外爆下动力响应模式及失效机理的揭示还存在不足；在数值仿真技术方面，目前已提出多种数值方法在得出的结果和计算效率两方面都有比较大的差异，缺少针对性的校核试验以建立高效、可靠的有限元数值分析模型。因此，本文基于可靠性的抗爆设计思想，以单层球面网壳为研究对象，综合理论分析、数值模拟和场地试验等手段，从概率的角度研究结构抗爆过程中荷载和结构的各种不确定因素，并揭示结构的外爆响应机理，建立结构的外爆响应概率模型，以上成果可为构建和发展大跨空间结构抗爆防护理论提供重要的技术基础。本文主要进行如下几方面的工作：
1.球壳表面测压试验及荷载特性研究
设计并开展了外爆下不同下部支承高度、不同矢跨比的球壳表面测压试验，考察了爆炸距离、炸药量等爆炸参数对结构上爆炸荷载时空分布的影响，获得了可靠的爆炸荷载时空分布实测数据；对比分析了爆炸冲击波在平面靶体和曲面靶体上反射行为的差异性，并建立了适用于研究外爆下球壳上爆炸流场的有限元仿真模型。基于参数化分析，进一步探讨了爆炸参数和球壳结构相关几何参数对结构上爆炸荷载分布规律的影响。在此基础上，提出了适于描述球壳结构上外爆荷载的方法；结合外部地爆下球壳表面上爆炸荷载时空分布特性和结构上爆炸荷载相似率原则，建立了具有广泛适用性的球壳外爆荷载模型。
2.球壳表面外爆荷载不确定性及概率模型研究
针对带有下部支承的刚性球壳模型进行了6种工况、共计120次独立采样爆炸场地试验，获得了与反射超压、正冲量、正相持时和衰减指数等爆炸荷载参数相关的480个样本。通过对爆炸荷载各参数进行不确定性分析，优选相应的概率描述模型，发现正态分布是各爆炸荷载参数的最优分布；通过计算爆炸荷载样本的均值和变异系数统计量，建立了球壳上外爆荷载概率分布模型。基于分位数，提出了球壳结构上具有一致保证率的外爆荷载模型；对基于平面靶体反射的CONWEP法预测球壳结构上爆炸荷载的适用性进行了评估，发现CONWEP法较大程度低估了迎爆面爆炸荷载，且无法给出具有一致保证率的球面爆炸荷载分布，不适用于球面壳体抗爆设计。
3.单层球面网壳外爆试验及失效机理研究
为了考察球面网壳结构在外爆下的失效模式，设计并制作了小尺寸的Kiewitt-6型单层球面网壳试验模型，开展了一系列弹性和破坏性场地试验，获得了三种典型的响应模式。将多种数值仿真方法的结果与试验结果进行对比分析，证明了本文提出的基于球面上爆炸荷载模型的单向耦合法在研究外爆下单层球面网壳响应中的优越性。基于大量的参数化分析，探讨了单层球面网壳在外部地面爆炸下的响应规律，总结并定义了外爆下网壳结构的四种响应模式，从能量分配和吸收的角度揭示了外爆下单层球面网壳的失效机理。通过大量的多重响应全荷载域时程分析，归纳出单层球面网壳在外爆下可能发生动力失稳和强度破坏两种倒塌方式。
4.网壳结构外爆动力响应不确定性分析
首先采用局部灵敏度法，考察了构件的几何和材料参数以及爆炸参数的不确定性对结构响应的影响，发现杆件截面面积和各爆炸参数为响应的高敏感因子。在此基础上，基于Sobol’全局灵敏度分析法和拉丁超立方抽样法，考察了高敏感输入参数不确定性与结构响应不确定性间的传递规律，建立了单层球面网壳外爆下动力响应概率模型。评估了多种确定性的响应研究方法的保证率，发现CONWEP法不适合用于球面网壳的响应求解；而基于提出的具有一定物理意义的球面中位值荷载法所得的结果可作为响应的中位值解，适用于求解外爆下球面网壳的动力响应；1.2倍质量增长因子法一定程度上可作为工程结构快速预判可靠性的方法。