爆炸荷载作用下K8型单层球面网壳的动力响应分析

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爆炸荷载是建筑遭受恐怖袭击时常见的冲击荷载,本文主要研究爆炸荷载作用下带下部支承结构的单层球面网壳的动力响应。用ANSYS/LS-DYNA建立一个40m跨度的K8型单层球面网壳模型,由支承钢柱、环梁、墙、屋面板等构件组成了下部支承结构和围护结构,并在材料的参数设置、本构关系的确定、网格的划分等方面进行了合理的选择。
  对爆炸冲击波在自由空气域中的传播进行了数值模拟并分析其传播规律,并将模拟所得的结果与峰值超压经验公式进行比较,模拟出的结果也与经验公式较为符合,验证了数值模拟的可靠性。分析了在建筑物承受中心爆炸时,随着TNT炸药当量的增加,网壳整体结构的动力响应。网壳结构的最大位移和杆件塑性发展随着炸药当量的增加而增大,但当炸药当量非常大时,由于屋面板瞬间被炸飞,网壳有变形减小、塑性发展滞后的趋势,屋面板的破坏起到了泄爆作用。在此基础上,定义了网壳结构的3种损伤模式:轻微损伤模式、严重损伤模式和结构泄爆模式。
  在受到偏心爆炸时,随着炸药位置的偏移,受到冲击压力最大的杆件逐渐向外环转移,节点的竖向位移越靠近荷载作用的位置,竖向位移越大,越远离爆炸荷载的作用,竖向位移越小,偏心爆炸使各个节点都产生了较大的水平位移,节点的水平位移沿其跨度方向在最先受到爆炸冲击的半跨上较大,而且随着爆炸位置的偏移,网壳上各节点的水平位移均逐渐增加,偏心爆炸使受到冲击的柱子也产生了较大的水平位移,在爆炸荷载附近区域的柱子位移最大,最大值达到了162.76cm,距炸药最远的钢柱最大位移也超过了140cm,并且炸药的位置越偏,柱子的变形越大,最后导致整个建筑物倒塌。炸药位置的改变使得网壳的塑性发展受到了很大影响,进入塑性的杆件集中分布在最先受到冲击的近爆区域,越远离爆炸中心塑性发展的杆件越少。
  在网壳结构上设置玻璃采光区后,无论是结构的最大位移还是杆件的塑性发展,都会随着采光面积的增大而下降,并且下降的程度与采光面积增加成近似的线性关系,而且部分杆件进入塑性的时间有所滞后,所以在网壳结构上及下部围护结构上设置采光区,不仅可以使建筑物利用自然光来节省能源,在建筑物内部出现爆炸的情况下,还是一种有效的泄爆方式。当采光区的材料由普通玻璃改为钢化玻璃后,虽一定程度上起到了泄爆作用,但由于钢化玻璃的强度大于普通玻璃使得泄爆能力降低,所以结构的泄爆能力会由于采光材料的不同而受到影响,材料强度较高的采光区的泄爆能力较差。
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