爆炸荷载作用下钢梁的动力响应与破坏模式数值分析

摘要

近年来，经济、政治和宗教等因素引发的各种社会矛盾，致使各种爆炸恐怖袭击事件在全世界范围的现代城市内不断发生，引起建筑结构倒塌事故时有发生。爆炸造成的钢结构建筑连续倒塌是由于主要受力构件遭受严重破坏，因此对钢构件及整体结构在爆炸冲击荷载作用下的动力响应和倒塌机制研究极为重要，现有设计规范中只有关于爆炸荷载这种偶然荷载的概念设计，使得现有建筑物抗爆能力储备有限甚至没有，所以研究钢结构在爆炸荷载作用下的动力响应以及分析影响钢结构的动力响应的设计参数成为近年来相关领域的热点研究对象。
　　本文通过对爆炸荷载的特点及钢梁构件在爆炸荷载作用下的动力响应及破坏模式进行研究分析，为钢梁构件的抗爆设计提供一定的理论依据及参考。本文利用ANSYS/LS-DYNA动力显式分析软件，基于流固耦合的方法对爆炸荷载在工字形钢梁中的传播过程规律、动力响应和破坏模式进行数值模拟，分析钢梁构件翼缘部位和空气中重要位置的冲击波超压，分析钢材强度、钢梁的跨度、比例距离，钢梁的截面尺寸、钢梁的支座类型等因素对钢梁动力响应及破坏模式的影响。利用受弯构件剩余承载力作为破坏指标的方法分析钢梁的损伤破坏程度。
　　通过理论分析和数值模拟，主要得出以下结论:(1)利用流固耦合的方法能较真实地模拟爆炸冲击波的传播过程在钢梁中的传播规律和结构的动力响应;(2)在不同的爆炸荷载，钢梁可能发生剪切破坏、弯剪联合破坏和翼缘屈曲破坏3种破坏模式。钢梁的破坏模式与比例距离有关，随着比例距离增大，钢梁的破坏模式由剪切破坏模式转变为翼缘屈曲破坏模式。(3)在钢结构抗爆设计时，优先采用Q345钢材和两端固定支座且减小跨度;(4)增高腹板高度可以有效地控制钢梁在爆炸荷载作用下的跨中最大位移，效果次之的是增加翼缘板厚度和腹板厚度，效果最差的是增加翼缘板宽度。增大梁截面高度，能有效地提高钢梁的抗爆承载力，在钢梁设计时宜采用。

目录

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国内研究现状

1．2．2 国外研究现状

1．3 研究主要内容

2 爆炸冲击波与材料的本构模型

2．1 爆炸与冲击波效应

2．2 爆炸冲击波基本规律

2．2．1 爆炸超压曲线

2．2．2 爆炸相似定律

2．3 爆炸经验公式简介

2．4 有限元动力分析软件LS-DYNA简介

2．4．1 LS-DYNA发展过程及功能

2．4．2 LS-DYNA分析的步骤

2．5 材料参数与钢材本构模型

2．5．1 跟爆炸有关的材料参数

2．5．2 钢材的动态本构模型

2．6 本章小结

3 工字型截面钢梁的动力响应数值模拟

3．1 流固耦合分析方法的简介

3．2 有限元数值模型建立

3．2．1 计算模型

3．2．2 材料模型

3．2．3 有限元模型

3．3 工字型钢梁的动力响应

3．3．1 爆炸冲击波的特征

3．3．2 爆炸荷载作用下钢梁的动力响应分析

3．3．3 破坏模式

3．4 本章小结

4 影响工字型钢梁动力响应的参数分析

4．1 截面尺寸设计参数分析

4．2 支座形式，比例距离和跨度设计参数分析

4．3 钢材强度设计参数分析

4．4 本章小结

5 爆炸荷载作用下钢梁的损伤评估及防治办法

5．1 破坏准则和损伤评估

5．2 防治办法

5．3 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢

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