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爆炸荷载的特点及简化分析方法

归档日期:06-05       文本归类:爆炸荷载      文章编辑:爱尚语录

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  爆炸荷载的特点及其分析方法研究进展 汇报人: 案例分析 目录 爆炸荷载的特点 爆炸荷载分析研究进展 现状及展望 案例分析 2001年9月11日上午 ,两 架被劫持的民航客机 分别撞向美国纽约世界贸易中 心一号楼和世界贸易中心二号 楼,两座建筑在遭到攻击后相 继倒塌,世界贸易中心其余5座 建筑物也受震而坍塌损毁 911”事件是发生在美国本 土的最为严重的恐怖攻击行动, 遇难者总数高达2996人。联合 国发表报告称此次对 美经济损失达2000亿美元 9.11 事件 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。 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 3.结构内部产生的负压, 使整个建筑外围 构件受到向内的压力作用 爆炸荷载的特点 1 发生的偶然性大 人们无法预知其在什么时间以什么样的方 式发生, 以及其作用的大小是多少。 2 爆炸荷载 的特点 衰减速度快 爆炸荷载随着与爆炸源距离的增大而呈指数的衰减 3 作用时间短暂 持续时间在几毫秒到几百毫秒之间 4 5 作用范围有限 相对大型的整个结构而言,爆炸荷载作用的往往 只是结构的一部分。 荷载的幅值大 爆炸荷载作用在结构上的局部压力比通常在设计中所考虑的荷载 要大几倍甚至更多。 爆炸荷载分析研究进展 近年来,国内外学者对爆炸荷载作用下钢筋混凝土结构的动态响应、 破坏与连续倒塌进行了广泛的研究,研究的方法有以下三种: 1 2 3 解析法 数值模拟法 试验方法 ? 等效自由度法 ? 模态近似法 ? 结构构件的研究 ? 离散单元法 ? 有限元法 ? 整体结构的研究 ? 拟静力加载法 爆炸荷载分析研究进展 解析法 等效自 由度法 ? 将结构构件的质量集中到某一点上,并限制该点在动力荷 载作用下只能沿单一方向振动。 ? 通过能量等效原理,确定出等效质量、等效刚度、等效荷 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 (如假定爆炸荷载作用下结构构件的变形沿构件的分布规律与速度沿构 件的分布规律相同) ? 复杂运动方程减少到一个变量微分方程来直接求解 ? 适用于无法界定初始条件的问题 爆炸荷载分析研究进展 二、数值模拟法 数值模拟法 随着计算机技术的进步,越来越多的研究人员采用数值模拟方法来分析研究爆炸 荷载作用下结构反应,常采用的数值分析方法有离散单元法和有限元法。 1).离散单元法 离散单元法的求解过程属于显式求解,该方法将结构简化成一个个用弹簧连接起 来的刚体,单元节点可以分离。目前用得较多的离散单元分析软件有 EDEM,PFC2D 等。 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 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。 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。 ? 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。 试验结果表明,爆炸产生的空气冲击波与外墙的相互作用 能够明显增加作用在炸药正对结构柱上的冲量。 ? 高超对一个3 层 RC 框架进行了连续倒塌试验,研究了 炸药安放位置、炸药离建筑的距离和炸药装药量等因素 对 RC 框架倒塌模式的影响。 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。 2 基于数值模拟的研究方法其计算结果很大程度上与建模的好坏有关,目前没 有很好的有关爆炸荷载作用下建模具体方法。 3 基于试验的研究方法,鉴于爆炸试验对场地条件要求苛刻、安全性差、费用 高等原因,对爆炸荷载作用下钢筋混凝土构件尤其是结构的动态响应、破坏 与连续倒塌的试验研究相对较少。 现状及展望 展望 ? 如何将结构构件合理的简化为理想单自由度结构体系,使之在 爆炸荷载作用下的动力响应能够充分代表原结构在同样荷载作 用下的动力行为。 ? 爆炸荷载作用下钢筋混凝土结构构件不同破坏模式问的相互作 用,结构构件高阶非线性响应以及质量分布的简化方法。 ? 如何提出既简单又能够反映爆炸荷载作用下结构构件的动态行 为的新的有限单元,建立爆炸荷载作用下结构动力响应和破坏 以及结构连续倒塌分析的高效数值模拟方法。 ? 如何找到类似于拟静力加载法的新的试验方法,使试验过程更 加安全可靠,试验成本更加低廉,同时又能够考虑爆炸荷载对 结构的初始影响 谢 谢!

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