框架结构在爆炸冲击荷载下的动力响应及连续倒塌分析研究

摘要

在当前和平与发展的时代，恐怖主义也在蔓延，恐怖爆炸活动对国际社会的和平和安宁造成了很大的威胁，这些爆炸事故不仅在局部范围内对建筑造成严重的破坏，更有可能因结构中某些构件的破坏失效，引发整体结构的倒塌破坏，因此无论是在防护结构还是在工业、民用建筑结构中，通常都需要考虑爆炸冲击荷载的作用，研究结构在爆炸冲击荷载作用下的动力响应以及结构抗连续性倒塌成为工程领域中十分重要的课题。本文针对钢筋混凝土梁，对爆炸荷载作用下的响应进行了研究分析，并运用有限元软件LS-DYNA模拟了三层框架在爆炸冲击荷载下，构件失效后的连续倒塌过程。由于混凝土是一种多孔的脆性材料，在浇注、成形初期不可避免地会存在着毛细孔、空隙及材料的裂隙等缺陷，即存在初始损伤，在外界因素作用下，特别是爆炸荷载作用下，混凝土中的裂隙会迅速劣化，形成新的损伤，损伤积累到一定程度时，混凝土体中将出现宏观裂缝，最后宏观裂缝扩展交织直至混凝土体完全破坏，同时混凝土还是一种率敏感性材料。所以在分析爆炸作用对梁的影响时考虑损伤和应变率效应是非常有必要的，本文对爆炸荷载作用下考虑损伤和应变率效应时的钢筋混凝土梁进行了理论分析和数值模拟，并比较了三层框架结构在不同受力构件破坏后的连续倒塌情况。通过以上研究分析，得到以下结果： 1.由理论计算得到，随着折合距离的增大，梁的挠度不断减小，只考虑应变率效应时的挠度比不考虑时的小，且应变率越大挠度越小。只考虑损伤时梁的挠度比不考虑时的要大。既考虑应变率效应又考虑损伤效应时的挠度比不考虑时的要小很多，从而可知我们不考虑时的设计是趋于保守的。 2.采用简化的指数形式的爆炸荷载，通过数值模拟比较分析了不同的折合距离下钢筋混凝土梁的各特殊部位节点的Y向位移和Z向应力等的变化规律，并将数值模拟结果与第三章理论计算结果进行了对比，得到了误差值。 3.在框架结构底层中柱遭破坏后，整体结构倒塌破坏始于上部横梁的拉坏，致使该两跨梁的结构成为悬索结构，从而造成大面积倒塌；而在底层角柱遭破坏后的情况下，整体结构倒塌破坏始于靠近其柱的另外一根角柱的压坏，以及上部结构的梁的拉坏，致使该结构一跨局部范围内竖向连续倒塌。 本文针对爆炸荷载作用下结构的动态响应，推导了理论公式，并建立了数值模拟的模型，得到了爆炸荷载对结构构件以及整体结构的影响规律，对以后的抗爆设计可以提供有效的依据。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1选题的依据和意义

1.2课题的研究现状

1.2.1爆炸荷载作用下梁和柱的研究现状

1.2.2连续性倒塌的研究现状

1.2.3混凝土动态本构模型的研究现状

1.2.4混凝土损伤理论研究现状

1.3 本文的主要研究工作

第二章基本理论及分析方法

2.1自由空气爆炸的概念及理论

2.1.1基本概念

2.1.2自由空气中的爆炸冲击波及荷载

2.2损伤理论及损伤模型

2.3框架结构力学模型

2.4框架结构连续倒塌设计方法

2.5小结

第三章爆炸荷载作用下框架构件的动态响应

3.1混凝土梁的损伤力学分析方法

3.2能量解析法

3.3混凝土的应变率效应

3.4理论计算

3.5小结

第四章爆炸荷载作用下混凝土梁的数值模拟

4.1钢筋混凝土有限元模型

4.2 ANSYS/LS-DYNA简介

4.3钢筋混凝土梁有限元模型

4.4材料模型及其参数

4.5边界条件及荷载的施加

4.6求解

4.7计算结果分析

4.7.1当折合距离为0.5时的结果

4.7.2当折合距离为1.5时的结果

4.7.3当折合距离为2.0时的结果

4.8数值模拟与理论计算的比较

4.9 小结

第五章爆炸荷载作用下钢筋混凝土框架结构连续倒塌分析

5.1有限元模型的建立

5.1.1材料模型及参数

5.1.2荷载及约束

5.1.3接触算法

5.2采用GSA方法模拟连续倒塌

5.2.1 GSA方法

5.2.2底部中柱破坏后连续倒塌分析

5.2.3底部角柱破坏后连续倒塌分析

5.3结果与讨论

5.4小结

结论与展望

一、结论

二、展望

参考文献

攻读硕士期间的研究成果及获奖情况

致谢