爆炸荷载作用下建筑结构连续倒塌分析与防连续倒塌设计研究进展

连续倒塌是结构局部某个关键构件的破坏导致相邻构件失效继而引发更多构件破坏,最终导致结构整体倒塌或者产生与初始触因很不相称的大面积倒塌的连锁反应.爆炸荷载作为一种非常规荷载,具有传播迅速、峰值大、作用时间短等特点,是造成建筑结构连续倒塌的主要原因之一.本文在建筑结构连续倒塌已有研究的基础上,提出了结构连续倒塌分析的分类方法;并进一步根据结构连续倒塌分析的目的,将结构连续倒塌分析方法分为结构抗连续倒塌性能评价方法和结构连续倒塌全过程分析方法.通过文献综述,详细介绍了结构抗爆炸连续倒塌性能评价方法和结构抗爆炸连续倒塌全过程分析的最新研究进展;给出了建筑结构防爆炸连续倒塌的概念设计方法和构造措施,提出了建筑结构防爆炸连续倒塌设计的步骤和方法.     

爆炸荷载作用下钢筋混凝土框架结构的连续倒塌分析

近年来,鉴于建筑结构连续倒塌分析的复杂性,迄今为止,尚未得出一种可用于工程实际的足够精确的结构连续倒塌分析方法.运用通用有限元显式动力分析软件LS-DYNA,建立了某2跨3层框架结构的三维有限元模型.研究了初始损伤、结构的初始条件等因素对爆炸荷载作用下钢筋混凝土框架结构连续倒塌过程的影响.并将分析结果与传统的结构倒塌分析方法的分析结果进行了对比,进一步提出了一种改进的钢筋混凝土结构连续倒塌分析的方法,对建筑结构抗连续倒塌设计具有一定的指导作用.     

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.     

竖向不规则基础隔震结构抗连续倒塌机制研究

为了研究竖向不规则基础隔震结构抗连续倒塌性能,文章建立典型的收进式竖向不规则钢筋混凝土基础隔震结构有限元模型,以备用荷载路径法为基础,采用竖向静力非线性Pushdown方法进行了分析,通过对备用荷载路径内力变化分析,研究了剩余结构抗连续倒塌性能。研究表明:除了角柱和角支座外,其他底层框架柱和隔震支座失效后其备用荷载路径均会经历梁机制、机制转换及悬链线机制3个阶段;隔震层较小的侧向约束,导致隔震支座失效后其备用荷载路径的悬链线机制难以充分发挥抗倒塌作用;初始失效位置的不同也会导致剩余结构抗连续倒塌性能的差异,对于结构中位置较为特殊的构件应予以专门设计和分析。     

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。     

爆炸冲击对多层钢框架连续倒塌性能的影响

以5层钢框架结构为对象,对钢框架在爆炸冲击作用下的连续倒塌性能进行了研究.采用备用荷载路径法,分别对钢框架结构进行了静力非线性、动力非线性以及爆炸冲击作用下的动力非线性连续倒塌分析.分析结果表明:在常规的静力和动力非线性分析中,该框架具有良好的抗连续倒塌能力;在5 kgTNT的初始爆炸冲击作用下,钢框架的变形比常规分析...     

爆炸荷载作用下地下结构抗层裂钢板机理分析

为了对某飞机洞库的抗层裂钢板进行有效地设计，基于层状介质中一维应力波的传播理论，给出了脉冲荷载作用下地下结构混凝土中的应力历史计算方法。通过算例研究了混凝土中应力波的传播规律，揭示了混凝土-钢板层状结构抗层裂的相互作用机理，可为地下结构的抗层裂设计、施工提供参考。     

结构-地震动双随机的隔震结构倒塌鲁棒性分析

为分析基于结构及地震动双随机的隔震结构竖向连续倒塌鲁棒性,依据二次四阶矩可靠度理论提出随机鲁棒性指标,通过对比分析隔震结构考虑结构随机、地震动随机性以及同时考虑结构-地震动随机性的鲁棒性指标,揭示随机性对隔震结构竖向连续倒塌鲁棒性的影响,以及PGA对隔震结构抗竖向连续倒塌鲁棒性产生的作用.研究结果表明:基于可靠度的随机鲁棒性指标可定量评估隔震结构抗竖向连续倒塌能力;若仅考虑结构随机或地震动随机,均会高估结构抗竖向连续倒塌能力;此外,随PGA增大,结构抗竖向连续倒塌鲁棒性下降,强震作用下,隔震结构极可能发生竖向连续倒塌现象.     

基础隔震山地掉层框架结构抗连续倒塌性能研究

山地隔震结构本身具有特殊性,因此其破坏模式、受力性能与普通平地隔震结构体系有很大的不同.为了研究基础隔震山地掉层结构的抗连续倒塌性能,首先对一榀4跨3层平面框架拟静力试验进行数值模拟并验证了LSDYNA纤维单元模型的可靠性,根据中国规范设计了6个基础隔震掉层体系框架和1个普通平地隔震结构,基于拆除构件法对剩余结构进行抗倒塌性能研究,得到其荷载系数与失效点竖向位移曲线.研究结果表明,拆除下接地角柱(支座)、上接地角柱时,平地隔震结构的抗倒塌能力大于掉层隔震结构;拆除上接地支座时,平地隔震结构的抗倒塌能力弱于掉层隔震结构;隔震山地掉层框架结构邻近坎下边支座(底层柱)失效跨的抗力机制要滞后于上接地跨的抗力机制,可为基础隔震山地掉层框架结构的抗连续性倒塌设计提供参考.     

爆炸荷载作用下地下结构杭层裂钢板机理分析

为了对某飞机洞库的抗层裂钢板进行有效地设计,基于层状介质中一维应力波的传播理论,给出了脉冲荷载作用下地下结构混凝土中的应力历史计算方法.通过算例研究了混凝土中应力波的传播规律,揭示了混凝土-钢板层状结构抗层裂的相互作用机理,可为地下结构的抗层裂设计、施工提供参考.     

爆炸作用下土中竖井结构荷载分布规律

为研究爆炸作用下非饱和黏土中竖井上荷载分布规律,开展了8组土中竖井受侧向爆炸作用模型试验及24组数值模拟计算。通过对比数值模拟与试验结果,验证了数值模拟计算合理性。根据试验及数值模拟计算结果,分析了竖井上荷载的时空分布规律,提出了能够合理描述荷载轴向、环向空间分布的预测公式。结果表明：(1) 荷载轴向上是钟形分布,并且随着装药距离的增加分布越发均匀,且可以认为荷载在一定轴向范围内是同时达到的;(2) 荷载环向呈现明显的时空不均匀性,侧压系数和背压系数都随着装药距离与结构直径比值的增大而增大;(3) 分别采用修正的正态分布曲线和三角函数曲线描述荷载的轴向和环向分布是合理的。预测公式可以用于竖井结构抗爆分析。     

爆炸荷载下结构响应的EMD分析

通过经验模态分解法(EMD)将信号分解为固有模态函数(IMF),结果表明震动信号是由不同频率的具有实际物理意义的固有模态函数分量组成.同时建立了爆炸荷载下的单自由度体系结构动态响应模型,并运用实例分析了结构在爆破震动下的动力放大效应.分析表明不同的IMF分量对结构的影响各不相同,两者频率越接近,其共振作用就越明显.结构对荷载的响应主要取决于不同幅值、不同频率的各IMF分量的共同作用.图5,表1,参11.     

考虑支座失效的基础隔震结构振动台试验研究

为研究隔震结构在多向动力耦合激励下的动力响应和荷载传递路径,进行了一个缩尺比例为1∶4的三层平面不规则RC隔震框架结构振动台试验. 通过研究结构的加速度响应、位移响应、隔震支座内力响应、损伤跨梁混凝土和钢筋应变等,揭示了多向动力耦合激励下的抗倒塌性能. 进一步利用OpenSees有限元软件,分析了损伤跨梁内力和支座损伤指数分布规律. 研究结果表明：在双向水平地震和单个隔震支座突然失效引起的竖向不平衡荷载耦合激励下,失效点位置处结构的竖向动力响应显著增大,并发生明显的竖向变形;支座瞬时失效产生的动力效应对各支座内力均有影响,特别是对相邻支座的内力影响更加明显;支座瞬时失效产生的竖向不平衡荷载由空腹效应和梁端弯矩共同抵抗;支座瞬时失效对相邻支座损伤指数影响最大;在多向动力耦合激励下失效区域的动力响应比仅考虑竖向不平衡荷载下更显著,隔震层损伤指数分布相比地震单独作用下更加离散.     

爆炸荷载作用下大跨度动被覆结构荷载分布规律

为了研究常规武器爆炸作用下大跨度被覆结构的荷载分布规律,首先通过现有经验公式的计算对比,指出了现有公式的适用范围和局限性;其次利用岩(土)中地冲击经验公式,计算得到了不同跨度和不同爆距时环向各点自由场应力的分布规律和峰值应力包络图,并将部分计算结果与数值模拟进行对比,规律基本一致;最后将拱结构环向各点自由场径向峰值应力...     

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.     

爆炸作用下跨度对地下结构破坏形态的影响

针对爆炸等动载作用下深埋大跨地下结构的动力响应进行研究,应用ANSYS/LS-DY-NA非线性动力有限元分析程序,采用流固耦合算法和透射边界,对不同跨度地下拱形结构在不同垂直起爆距离时进行封闭式爆炸数值模拟,得到了不同跨度地下结构的破坏形态和最大应力变化曲线.结果表明:大跨度地下结构由于自由临空面的增大,破坏形态与小跨度结构的受力状态完全不同,跨度越大,远处爆炸对结构安全及围岩稳定性影响越大,结构的动力学特性会发生本质的改变.     

钢筋混凝土结构抗连续倒塌设计对策的探讨

结构的抗连续倒塌能力是结构因突发事件造成部分基本构件突然失效时,结构应能自行调整内力,阻止破坏过程的延续,从而保证结构整体不至于破坏的能力。通过加强结构系统的整体性,增加结构的延性、连续性和冗余度,是结构具有"搭桥"能力和悬索作用,当部分结构受到破坏后能改变传力路线,将破坏限制在允许范围内,达到避免建筑连续倒塌的目的。本文对钢筋混凝土结构抗连续倒塌设计对策进行探讨。     

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。     

老化-荷载作用下叠层轮胎隔震垫时变力学性能

为研究建筑结构设计基准期(50年)内叠层轮胎隔震垫(scrap tire rubber pads,STRP)竖向力学性能的时变规律,对61组7层STRP支座施加5 MPa竖向荷载并分别进行老化31,62,93,124和154h的荷载耦合老化试验及普通老化试验.结合荷载耦合老化后轮胎的微观扫描电镜分析(SEM)及STRP的竖向力学性能试验,研究STRP在不同老化时间下的破坏特性、竖向承载力衰减,以及竖向刚度和竖向变形性能的退化规律.研究表明:在荷载耦合老化作用下STRP表面随老化时间的增加,裂缝扩展且局部轮胎内部炭黑外移析出,STRP竖向刚度逐渐增大,竖向变形性能变差,但极限承载力无明显改变.     

爆炸载荷作用下地下拱形结构应力分析

该文应用有限元方法分析了爆炸载荷作用下地下描形结构的应力场。结构与土介质均假定为弹塑性，并用Ｍｉｓｅｓ屈服准则描述，而且考虑其几何非线性的影响。文中使用了人为阻尼边界，并使计算模型的几何尺寸满足限制性条件，从而大大提高了计算精度。文中还对几种解进行了比较。