內(nèi)爆炸作用下大跨空間鋼結(jié)構(gòu)失效機(jī)理與防爆方法研究結(jié)題摘要

大跨空間鋼結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于人員活動(dòng)密集的大型公共建筑，一旦遭遇內(nèi)爆炸襲擊，極易造成重大人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失和惡劣社會(huì)影響，但相關(guān)研究薄弱。本項(xiàng)目采用有限元數(shù)值仿真、理論計(jì)算和試驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，對(duì)大跨空間鋼結(jié)構(gòu)在內(nèi)爆炸下的沖擊波傳播和分布規(guī)律，結(jié)構(gòu)的爆炸動(dòng)力效應(yīng)，結(jié)構(gòu)幾何及剛度、非結(jié)構(gòu)破壞和泄爆對(duì)爆炸效應(yīng)的影響，以及結(jié)構(gòu)的防爆和抗爆措施等進(jìn)行了研究。研究?jī)?nèi)容主要包括： （1）結(jié)構(gòu)內(nèi)爆炸沖擊波的傳播、聚集效應(yīng)和計(jì)算方法； （2）結(jié)構(gòu)的內(nèi)爆炸動(dòng)力響應(yīng)、破壞模式、損傷和失效機(jī)理； （3）結(jié)構(gòu)幾何和剛度、圍護(hù)結(jié)構(gòu)和泄爆對(duì)爆炸效應(yīng)的影響； （4）圍護(hù)結(jié)構(gòu)的泄爆閥值和泄爆效應(yīng)； （5）鋼材的強(qiáng)沖擊材料性能試驗(yàn)、空爆試驗(yàn)和鋼網(wǎng)殼模型內(nèi)爆炸試驗(yàn)。 通過(guò)研究，本項(xiàng)目取得以下主要成果： （1）揭示了內(nèi)爆炸下，沖擊波在大跨空間鋼網(wǎng)殼內(nèi)的傳播、聚集規(guī)律，提出了準(zhǔn)確度更好的沖擊波超壓計(jì)算的修正公式。 （2）基于試驗(yàn)結(jié)果，建立了內(nèi)爆炸下大跨空間鋼網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的參數(shù)化數(shù)值仿真計(jì)算模型，能夠相當(dāng)準(zhǔn)確地模擬計(jì)算大跨空間鋼結(jié)構(gòu)的內(nèi)爆炸、沖擊波傳播過(guò)程、結(jié)構(gòu)失效和破壞模式。 （3）通過(guò)研究炸藥量、爆炸點(diǎn)位置、剛度、結(jié)構(gòu)空間幾何、圍護(hù)結(jié)構(gòu)開(kāi)洞與泄爆方式等因素對(duì)鋼結(jié)構(gòu)球網(wǎng)殼、柱網(wǎng)殼和平板網(wǎng)架內(nèi)爆炸動(dòng)力效應(yīng)的影響，揭示了大跨空間鋼結(jié)構(gòu)在內(nèi)爆炸作用下的動(dòng)力響應(yīng)機(jī)制、結(jié)構(gòu)損傷和破壞模式、失效機(jī)理及其與主要影響因素的關(guān)系。 （4）進(jìn)行了鋼材的霍普金森桿材料性能沖擊試驗(yàn)、炸藥空爆試驗(yàn)。分別完成了強(qiáng)、弱圍護(hù)結(jié)構(gòu)鋼網(wǎng)殼模型的場(chǎng)地大型內(nèi)爆炸試驗(yàn)和測(cè)試，積累了有價(jià)值的爆炸試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。 （5）初步揭示了圍護(hù)結(jié)構(gòu)泄爆對(duì)大跨空間鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)爆炸效應(yīng)的影響規(guī)律，以及爆炸效應(yīng)與墻（屋）面剛度、開(kāi)洞方式等因素的關(guān)系。提出了確定幾種鋼網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)泄爆閥值的方法。 （6）提出了大跨鋼網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)防爆、抗爆和泄爆的方法以及維護(hù)使用的技術(shù)指引。 本項(xiàng)目還取得了一些其他成果。 2100433B

大跨空間鋼結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于人員活動(dòng)密集的大型公共建筑，一旦遭遇內(nèi)爆炸襲擊，極易造成重大人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失和惡劣社會(huì)影響，但相關(guān)研究薄弱。本項(xiàng)目采用數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)內(nèi)爆炸作用下大跨空間鋼結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)、破壞模式、失效機(jī)理和防爆方法進(jìn)行研究。首先，基于ALE有限元，對(duì)大跨空間鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)爆炸沖擊波的傳播規(guī)律進(jìn)行數(shù)值實(shí)驗(yàn)，推演沖擊波超壓與炸藥TNT當(dāng)量和爆炸點(diǎn)距離之間的數(shù)學(xué)表達(dá)。其次，對(duì)爆炸沖擊波超壓進(jìn)行本征正交分解法(POD法)分解和重構(gòu)，使時(shí)空不同步的海量沖擊波超壓頻譜轉(zhuǎn)換成有限數(shù)量的表征值，獲得沖擊波壓力場(chǎng)在結(jié)構(gòu)表面上的分布，使爆炸沖擊波作用數(shù)量化并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。然后，考慮結(jié)構(gòu)幾何及剛度、非結(jié)構(gòu)破壞和泄爆影響并結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)大跨空間鋼結(jié)構(gòu)在內(nèi)爆炸沖擊波超壓作用下的動(dòng)力響應(yīng)機(jī)制、失效模式和機(jī)理進(jìn)行數(shù)值仿真和分析。在此基礎(chǔ)上，提出大跨空間鋼結(jié)構(gòu)的防爆和泄爆方法及正確使用指引。

中文摘要：爆炸荷載作用下玻璃幕墻的破壞機(jī)理涉及到PVB膠片的本構(gòu)關(guān)系、夾層玻璃靜力作用下力學(xué)模型、爆炸沖擊荷載-玻璃流固耦合作用等前沿問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外在這些方面的研究還未取得突破性進(jìn)展。因此課題通過(guò)試驗(yàn)手段建立PVB膠片的本構(gòu)關(guān)系，通過(guò)夾層玻璃靜力試驗(yàn)及數(shù)值模擬，建立與實(shí)際受力相符的力學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行抗爆炸試驗(yàn)及數(shù)值模擬的研究分析，對(duì)玻璃幕墻在爆炸作用下的破壞機(jī)理和性能研究進(jìn)行研究，為玻璃幕墻的抗爆炸設(shè)計(jì)有價(jià)值的參考。得到了夾層玻璃PVB膠片在不同溫度及加載速率下的本構(gòu)關(guān)系模型；進(jìn)行了四邊簡(jiǎn)支夾層玻璃的承載力試驗(yàn)及數(shù)值模擬研究，建立了與實(shí)際受力相符的夾層玻璃力學(xué)模型；進(jìn)行了不同類型玻璃面板在爆炸沖擊荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)試驗(yàn)，研究了不同玻璃類型的破壞形式；在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了爆炸荷載作用下玻璃面板動(dòng)力響應(yīng)的有限元分析，并考慮了不同參數(shù)（玻璃尺寸、厚度）對(duì)玻璃面板抗爆性能的影響；采用多物質(zhì)ALE算法進(jìn)行了了炸藥作用下爆炸的產(chǎn)生以及爆炸沖擊波與玻璃面板結(jié)構(gòu)之間的耦合作用的數(shù)值分析；基于試驗(yàn)及有限元結(jié)果，提出了爆炸沖擊荷載作用下玻璃幕墻動(dòng)力響應(yīng)的簡(jiǎn)化分析方法。 2100433B

針對(duì)沖擊荷載作用下網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的失效機(jī)理與防御方法展開(kāi)研究。主要內(nèi)容包括：（1）研究網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)受沖擊荷載作用的精細(xì)化建模及研究方法，通過(guò)對(duì)精確化本構(gòu)模型、非線性單元類型、接觸類型、求解策略等進(jìn)行細(xì)致研究，實(shí)現(xiàn)數(shù)值模型的精確、高效求解；（2）研究沖擊荷載作用下網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的失效模式及失效機(jī)理，研究其動(dòng)力失效性質(zhì)及特征，以及結(jié)構(gòu)在沖擊荷載作用下的失效準(zhǔn)則；（3）研究沖擊荷載作用下網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的失效規(guī)律，研究沖擊結(jié)束時(shí)刻的局部響應(yīng)與結(jié)構(gòu)失效模式之間的作用規(guī)律；（4）研究沖擊荷載作用下網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的防御方法，提出合理有效的網(wǎng)殼抗沖擊的防御設(shè)計(jì)方法，指導(dǎo)結(jié)構(gòu)抗沖擊防御設(shè)計(jì)。通過(guò)本項(xiàng)目的研究，形成沖擊荷載作用下網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的失效機(jī)理與防御方法研究的較完善的分析與設(shè)計(jì)理論，提升我國(guó)大跨空間結(jié)構(gòu)突發(fā)災(zāi)害防御研究水平。

現(xiàn)有關(guān)于玻璃幕墻結(jié)構(gòu)的研究均集中在靜力荷載作用下的設(shè)計(jì)與計(jì)算。近年來(lái)，發(fā)生了一些爆炸沖擊等偶然荷載作用下的建筑破壞事故，而玻璃幕墻作為建筑的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，它的抗爆性能顯得尤為重要。但研究爆炸沖擊荷載作用下的幕墻結(jié)構(gòu)的工作性能涉及沖擊荷載作用下夾層玻璃PVB膠片的本構(gòu)關(guān)系、夾層玻璃的非線性動(dòng)力分析、玻璃幕墻-沖擊波流固耦合作用等復(fù)雜的基礎(chǔ)問(wèn)題。本課題是在中央電視臺(tái)新臺(tái)址大樓玻璃幕墻抗爆炸試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合抗爆炸試驗(yàn)和數(shù)值仿真模擬手段，進(jìn)行玻璃幕墻在抗爆作用下的破壞機(jī)理和性能的研究。通過(guò)對(duì)比爆炸仿真與試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果，找出適合玻璃幕墻爆炸仿真的理論方法和關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)影響玻璃幕墻抗爆炸能力的主要因素和規(guī)律進(jìn)行分析，找到控制設(shè)計(jì)因素及方法，為制訂玻璃幕墻抗爆炸設(shè)計(jì)規(guī)范提供理論依據(jù)。通過(guò)本課題的研究有望為重大玻璃幕墻結(jié)構(gòu)的抗爆炸設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白，開(kāi)始實(shí)現(xiàn)我國(guó)從幕墻應(yīng)用大國(guó)到研究強(qiáng)國(guó)的轉(zhuǎn)變。