爆炸作用下高层钢筋混凝土框架结构的连续倒塌机理分析

为了探究爆炸作用下高层钢筋混凝土框架结构的连续倒塌机理,采用ANSYS/LS-DYNA软件,对外部爆炸荷载作用下结构的连续倒塌进行了模拟。建立了结构的多尺度模型并验证其有效性;分别分析了炸药位于角柱和边中柱正前方时框架结构的破坏及倒塌情况;对比了两种工况下建筑物的倒塌过程和倒塌程度。结果表明:多尺度建模方法可以有效模拟框架结构在爆炸作用下的动力响应过程;爆炸荷载作用下目标柱损伤严重,失去承载力,结构内力重分配使相邻结构损伤,最后发生连续倒塌;炸药位于不同位置时,结构的倒塌范围有显著的不同。     

爆炸移除钢筋混凝土框架柱抗倒塌性能数值模拟

基于已有的爆炸移除钢筋混凝土框架柱的实验数据,利用有限元软件AUTODYN建立了一个分离式与整体式相结合的4层2跨钢筋混凝土框架结构的三维有限元模型,并采用三阶段分析法,对爆炸移除钢筋混凝土柱的结构动力响应和破坏形态进行了数值模拟,且考虑炸药、空气与结构的流固耦合作用和应变率对材料的动态本构特性的影响.在爆炸移除短边中柱与角柱两种工况下,计算得到的柱破坏形态和梁柱节点动态位移与实验结果吻合较好,还分析了柱内纵筋对RC框架结构的动态响应的影响以及柱的破坏失效过程.计算结果表明:对发生塑性和弹性变形区域分别采用分离式和整体式建模,不仅保证了钢筋混凝土框架柱的爆破作用过程数值模拟的真实性和适用性,又大量缩短了计算时间,可为今后爆炸荷载作用下RC框架的参数影响分析和连续倒塌破坏模式控制提供参考.     

近地面爆炸荷载作用下地下结构的动态响应研究

爆炸荷载对地下结构的影响是工程界关注的重要问题。基于AUTODYN软件,采用SPH与FEM耦合的模拟方法,模拟和研究了近地面爆炸冲击荷载作用下,地下结构的动态响应过程。研究结果表明,爆炸荷载属于短时间冲击荷载,结构损伤破坏与加速度变化剧烈程度相关,在实际工程中应予以注意。     

爆炸荷载作用下大坝破坏分析的数值模拟研究进展

对近年来爆炸冲击荷载作用下大坝动力响应和破坏分析所采用的数值模拟方法的研究进展和发展趋势进行综述。重点总结现有计算爆炸力学数值方法进行大坝爆炸动力响应特征和破坏过程分析的研究成果,指出大坝爆炸响应分析是一个涉及炸药爆炸、爆炸冲击波形成和传播、冲击波或爆炸产物与坝体相互作用以及坝体结构动态响应的完整连续过程,同时总结了水库大坝环境中的爆炸荷载分类、特点及其对大坝结构的破坏效应。指出各种爆炸条件下大坝的爆炸模拟需要关注的不同问题,今后需要在目前研究基础上及时吸收计算力学的最新研究成果,发展高精度的数值计算方法和高效率的数值求解体系,实现大坝爆炸动力响应的全过程仿真模拟。     

基于ANSYS/LS-DYNA的钢筋混凝土框架柱抗冲击性能有限元分析

基于ANSYS／LS—DYNA非线性有限元显式动力分析软件,对钢筋混凝土框架柱在爆炸荷载作用下的动力响应进行了数值模拟,主要分析了流场压力分布和柱的破坏过程。模拟结果表明,在近距离爆炸空气冲击波荷载作用下,柱中棱边混凝土单元首先发生剪切破坏,然后柱底发生弯曲破坏;框架柱柱端约束与柱动力响应直接相关。     

轴压比对钢筋混凝土柱侧向抗爆炸冲击性能的试验研究

通过多点加载试验模拟侧向抗爆炸冲击的性能,研究分析在不同轴压比作用影响下钢筋混凝土柱的破坏过程、破坏形态及峰值荷载.实验结果表明:在侧向爆炸冲击荷载作用下钢筋混凝土柱可能发生剪切和弯曲两种破坏;轴压比的增大使得柱的峰值荷载与侧向位移增加.     

爆炸荷载作用下钢筋混凝土梁动力响应的数值分析

由于爆炸荷载具有峰值压强大、作用时间短的特点,钢筋混凝土梁在爆炸荷载作用下的动力响应较为复杂。为了深入研究钢筋混凝土梁的抗爆性能,应用瞬态动力分析软件LS-DYNA建立了钢筋混凝土梁的三维有限元模型。数值模型中钢筋混凝土采用分离式模型,并且考虑了钢筋和混凝土材料的应变率效应。对已有文献中的钢筋混凝土梁承受爆炸荷载的试验进行了数值模拟,并将模拟结果与试验结果进行了对比分析,结果表明所采用的数值模型可以较好地模拟爆炸荷载作用下钢筋混凝土梁的动力响应。在此基础上,研究了钢筋混凝土梁在不同爆炸荷载作用下的破坏模式。分析结果表明,随着峰值压力的增加,钢筋混凝土梁的破坏模式由弯曲破坏转变为剪切破坏。     

爆炸荷载作用下饱和土体的液化特性分析

为了研究饱和土体在爆炸冲击荷载作用下的液化特性,在LS-DYNA软件框架内,建立了适合于爆炸荷载作用下土体动力分析的实用模型,并对某爆炸液化现场试验进行了数值模拟。模拟得到的孔压时程与试验结果基本一致,表明数值手段能够较好地预测土体在爆炸荷载作用下孔压的发展规律。同时,通过数值模拟结果还可以发现,爆炸荷载作用下土体可能发生液化的区域远大于爆炸直接冲击导致结构破坏的区域。因而,在防护结构设计中,不仅要考虑结构本身的强度是否满足抗爆设计的要求,还要考虑由于周围土体液化导致的地基失效而造成的结构失稳破坏。     

爆炸荷载作用下钢框架结构的连续性倒塌分析

利用ANSYS/LS-DYNA有限元程序研究爆炸荷载作用下钢框架结构的连续性倒塌机理,主要针对三层两跨钢框架结构进行分析,总结多层钢框架结构在不同工况条件下的倒塌规律.利用相关规范提出的拉结构件法对结构进行加强设计,验证了多层钢框架结构在多柱破坏情况下拉结构件法的有效性.多柱破坏时,可以通过合理拉结设计有效避免结构发生连续性倒塌,为实际工程中如何利用拉结构件法进行加强设计提供了理论参考.     

基于精细有限元分析的既有RC框架结构破坏机理

在三层既有框架结构现场推覆试验的基础上,建立该试验框架的精细化有限元模型。通过动力特性分析及Pushover分析,讨论试验框架的动力特性、荷载-位移曲线、钢筋应力及混凝土损伤分布,得到结构破坏过程中底层框架柱的剪力需求,并与各主要国家规范的抗剪承载力计算结果进行比较。研究结果表明:精细化模型能较好地模拟剪切破坏发生前试验框架的荷载-位移曲线,反映试验框架由于底层柱端配箍不足而导致的弯-剪破坏;各规范公式计算的抗剪承载力存在一定的离散性。     

爆炸地冲击扰动诱发含结构面围岩破坏模拟试验

为研究远区爆炸作用产生的地冲击扰动对深埋洞室破坏的影响机制,采用地冲击效应模拟试验装置开展了相似模拟试验研究。采用边长为1.3 m的立方体试件,实现了从地应力加载（1 000 m埋深）、洞室开挖到爆炸地冲击扰动加载全过程的模拟。试验过程中,将各类传感器放置在试件和洞室内部,监测试验过程中的应力、应变、位移变化,以及洞室内部的破坏情况。通过在试件顶部施加不同峰值的冲击扰动荷载,再现了碎屑崩出、裂隙连通导致块体崩出、块体滑移和断层激活等破坏现象,初步得到了深埋洞室的安全阈值。分析得到了含裂隙围岩、块系围岩和含断层围岩在不同地冲击扰动作用下的破坏机制。试验结果表明,较小的动力扰动即可诱发深埋洞室的破坏,并且随冲击扰动次数的增加和冲击荷载峰值的增大,洞室破坏程度会加剧;此外,在爆炸远区,地冲击扰动仍可诱发工程灾害。     

双向往复加载下钢筋混凝土柱破坏过程的数值模拟

目的为准确地模拟双向往复加载下钢筋混凝土柱构件的非线性及断裂破坏行为,实现钢筋混凝土框架结构强震作用下的倒塌破坏全过程仿真分析.方法基于通用有限元软件ABAQUS的显式求解模块,研究了钢筋混凝土梁柱构件纤维梁单元的构型及单元消除技术,构建了包含材料破坏准则的钢筋、混凝土单轴本构关系,利用用户材料接口VUMAT编制了相应的计算子程序,并模拟了钢筋混凝土柱构件在单、双向水平往复荷载作用下的非线性性能发展以及断裂破坏过程.结果在加载幅值较小时,计算结果能够准确模拟双向往复加载下钢筋混凝土柱的承载力与刚度变化、滞回捏拢行为以及双向弯曲耦合效应.在水平位移加载幅值分别达到45 mm、90 mm、165 mm时,构件中的保护层混凝土、核心混凝土、钢筋完全破坏,构件断裂.而单向加载构件的水平位移加载幅值达到285 mm时,构件才发生断裂破坏.结论计算结果与试验结果吻合良好.笔者方法能够较为准确地模拟钢筋混凝土柱在双向弯曲荷载作用下的非线性及断裂破坏过程.双向弯曲耦合作用严重降低了钢筋混凝土柱的承载能力及耗能性能.研究成果可用于钢筋混凝土框架结构在强震下的倒塌过程模拟分析.     

混凝土重力坝接触爆炸的响应及破坏特性分析

运用显式非线性动力分析程序LS-DYNA模拟正常蓄水位及空库条件下混凝土重力坝接触爆炸.考虑爆炸荷载作用下混凝土的高应变率的影响,采用HJC(HolmquistJohnson-Cook)本构模型模拟坝体混凝土的损伤破坏及塑性变形的破坏特性.首先构建炸药-空气-水-混凝土试块模型并对其进行了模型验证.然后构建炸药-空气-库水-坝体-地基之间的动态全耦合模型,并对正常蓄水位与空库条件下TNT炸药接触爆炸的大坝动态响应及破坏特征进行了分析.研究结果表明:运用该方法研究混凝土重力坝水下接触爆炸引起的结构动力响应问题,具有稳定的可靠性,弥补了试验研究的不足.正常蓄水位下,在上游布置炸点对坝体的动力响应及损伤程度影响更大,因此在研究大坝抗爆性能时,应重点关注正常蓄水位条件下大坝上游侧炸点水下接触爆炸时大坝的破坏特性.     

建筑物外部爆炸超压荷载的数值模拟

在对易于遭受爆炸危害的建筑物进行抗爆设计与加固时,首先需要确定作用在建筑物上的爆炸超压荷载模型.但是由于受到建筑物自身特征及周围环境等多种因素的影响,作用在建筑物上的爆炸超压荷载十分复杂.为了掌握作用在建筑物上的爆炸超压荷载的特性,应用非线性显式动力分析软件建立了建筑物外部爆炸超压荷载的数值分析模型,分析了网格划分尺寸的大小对爆炸超压荷载计算结果的影响,模拟了建筑物外部的刚性地面上发生爆炸的过程,研究了爆炸冲击波在建筑外部空间中的传播与衰减规律,以及作用在建筑物外表面的爆炸超压荷载的特性.模拟了邻近建筑物对爆炸冲击波的反射和阻挡作用,同时研究了邻近建筑物的几何尺寸和位置等因素对作用在目标建筑物上的爆炸超压荷载的影响,从而为在建筑物的抗爆设计与加固中确定合理的爆炸超压荷载模型提供了理论依据.     

模拟爆炸地震波及其对框架结构的影响

基于能够描述爆炸地震波的非平稳随机过程模型进行爆炸地震波的模拟研究,给出能够考虑装药量和爆心距影响的单点爆炸地震波实用模拟方法.以15层框架结构为例,运用有限元分析软件建立空间板梁结构的有限元模型,计算结构的固有频率和固有振型,分析高层框架结构在模拟爆炸地震波作用下的动力响应.根据结构动力响应结果,判断结构的薄弱层,为工程抗震设计提供参考依据.     

脉冲荷载作用下钢筋砼梁破坏形态分析

在冲击,爆炸等脉冲荷载作用下,地下防护结构的破坏形态比核武器作用下的要复杂得多,可能由原来的延性弯坏变为脆性剪坏。以常规武器作用下土中浅埋钢筋混凝土框架结构为背景,将其顶板简化为梁或单向板,并基于Timoshenko梁理论,采用有限差分方法,分析了钢筋混凝土梁或单向板的早期动力响应,最后提出了一种爆炸中荷载作用下钢筋混凝土梁或单向板破坏形态的弹性预报方法。计算分析结果表明,预报方法与试验观察结果基本一致,具有一定的工程实用价值。     

地下箱形结构在爆炸冲击荷载作用下的动力反应分析

在一定距离的常规武器爆炸作用下,地下防护结构可能不会发生由于抗力不足而产生破坏,但是爆炸冲击荷载会引起结构内部很大的震动加速度环境,造成结构内部人员伤亡和设备破坏.综合考虑引起结构振动的各种影响因素,采用爆腔-岩土介质-结构系统动力相互作用模型,运用LS-DYNA动力分析软件,对典型的地下箱型结构在顶爆、侧爆和侧顶爆3种不同爆炸工况进行了数值模拟计算.初步分析了箱型结构在不同当量和不同爆炸点的常规武器爆炸荷载作用下的动力反应规律和特点,可为箱型结构在爆炸荷载下的隔震设计提供参考.计算结果表明:在常规武器爆炸作用下有必要对重要的箱型地下人防指挥工程进行隔震设计;可以采用爆腔-岩土介质-结构系统动力相互作用有限元模型进行爆炸动力反应分析.     

爆炸荷载作用下城市桥梁动态响应及其损伤过程分析

为了对人流、车流密集的城市市政桥梁进行合理的抗爆设计和爆炸风险评估,提出了爆炸荷载作用下城市桥梁动态响应与损伤过程分析的数值方法.首先,通过对城市桥梁爆炸风险源的分析,确定城市桥梁可能遭遇的爆炸源类型及爆炸荷载工况.然后,基于大型通用有限元软件ANSYS/LS-DYNA建立桥梁、炸药和空气三者的有限元模型,分别选择JWL(Jones-Wilkins-Lee)状态方程与线性多项式状态方程对炸药和空气模型进行定义,选用ALE(arbitrary Lagrange-Euler)算法模拟爆炸冲击波在空气中的传播;通过改变炸药的安放位置和质量,得到爆炸荷载作用下桥梁关键部位的位移响应、Von-Mises应力分布和整个桥梁的破坏形态,并模拟爆炸后桥梁的损伤过程;以Tuler-Butcher损伤累积准则为依据,求得某些指定单元在不同爆炸距离和不同TNT当量下的损伤累积曲线.最后,以一座大型钢桁架拱桥为例说明本文提出的方法的计算过程,其计算结果可作为桥梁抗爆设计和爆炸风险评估的依据.     

爆炸荷载下高层钢筋混凝土结构连续倒塌机制与模式研究

高层建筑结构构件尺寸较大,爆炸荷载作用下应力波传播造成的材料破坏效应不能忽略,需要采用精细化模型来分析其非线性响应行为与连续倒塌过程,计算效率低,实用性差.本文将多尺度建模方法引入到爆炸荷载作用下高层建筑结构的连续倒塌分析中,依据爆炸荷载作用下高层建筑结构非线性破坏与连续倒塌的特点,提出了多尺度模型不同区域的确定方法,使用该方法对某高层建筑结构的连续倒塌机制和倒塌模式进行了研究.结果表明,相同TNT当量炸药的爆炸荷载作用下,比例距离较小时,高层钢筋混凝土结构可能发生单柱失效-双向联合倒塌模式;比例距离增大至某一区间时,结构则可能发生多柱失效-竖向倒塌模式.多柱失效-竖向倒塌模式影响范围广,对结构危害大,应通过采取防护措施避免该倒塌模式的发生.     

新型外包钢组合梁框架结构抗震性能试验

为克服普通组合框架结构体系存在的缺点,首次提出新型外包钢混凝土组合梁-型钢混凝土柱组合框架结构体系.设计制作了一榀单跨两层型钢混凝土柱-外包钢混凝土梁的组合框架结构模型,并通过施加恒定竖向荷载和低周反复水平荷载,对模型框架进行了抗震性能试验.试验表明,该榀组合框架在地震时能形成梁铰破坏机制,框架的变形能力、承载能力、延性、耗能能力等均满足延性框架的抗震要求,且模型框架的有效延性系数达到了7.5.新型型钢混凝土组合柱-外包钢混凝土组合梁框架结构的抗震性能优于钢框架结构和钢筋混凝土柱-钢梁框架结构,可在中高层建筑中推广应用.