爆炸荷载作用下钢结构损伤机理及砌体墙破碎过程研究

摘要

近年来,大规模恐怖爆炸活动在全球范围内频繁发生;另一方面,日常生活中因对天然气、烟花、爆竹等易燃性物品的不正确操作或存放不当引发的意外性爆炸事故也时有发生。在城市环境中,突发性爆炸事件的危害不仅体现在爆炸冲击波对周围人员和设备的直接杀伤和破坏作用,更主要体现在邻近建筑物在爆炸荷载作用下发生严重破坏或倒塌,进而导致更加严重的灾害。因此,提高建筑结构的抗爆性能可有效减轻爆炸灾害效应。本文主要从钢柱在爆炸及其次生火灾作用下的损伤评估,平板网架结构和钢框架结构在爆炸冲击作用下的破坏机理和连续性倒塌机制,以及砌体填充墙在爆炸荷载作用下的破碎特性等三个方面,系统地研究了爆炸荷载作用下钢结构的损伤机理和砌体填充墙的破碎过程。主要研究内容和研究成果包括以下几方面:
　　 (1)提出了一种用于评估钢柱在爆炸与火灾综合作用下损伤程度的计算方法。在传统Johnson-Cock强度模型基础上,引入了一种基于连续损伤力学的Bonora损伤模型,可准确记录爆炸荷载导致的钢材物理损伤,同时考虑钢材在塑性阶段的应力硬化和高应变率导致的强度提高。通过对钢板抗爆试验的数值模拟,验证了该材料模型的可靠性。通过对方钢管柱的数值计算,建立了压强-冲量(P-I)相干曲线和方程,可用于评估钢柱在爆炸荷载作用下的损伤程度。另一方面,利用欧洲规范建议的ISO834标准火灾环境模拟爆炸发生后的火灾作用,根据火灾中钢材的升温规律和强度折减规律,分析了钢柱在承受爆炸荷载作用后的抗火性能。提出了用爆炸压强、冲量和火灾时间3个基本变量表示钢柱综合损伤程度的方法,建立了P-I-t曲面图及其数学表达式。最后,针对方钢管柱几何尺寸对P-I-t曲面图的影响,相应开展了几何变量的参数分析。
　　 (2)研究了4种不同柱子布置形式的平板网架结构在受到室外爆炸荷载作用时的动态响应行为和破坏倒塌模式,并分别计算了不同边柱作为爆炸荷载受力柱时的极限爆炸压强。研究表明:1)对于仅布置纵向边柱的平板网架,当外部爆炸发生在角柱附近区域时,网架最易发生倒塌,倒塌过程起始于角柱附近杆件的屈曲;2)对于纵向两侧和山墙上均设有柱子的平板网架,角柱的抗爆能力最强,易发生局部倒塌；中段边柱的抗爆性能相对较弱；3)对于跨中设有纵向中柱的网架,不同位置的边柱抵抗外部爆炸荷载的能力差别不明显,最终的倒塌状态一般为靠近爆炸源的单跨倒塌；4)对于两侧有悬挑的平板网架,角柱的抗爆能力明显低于其他边柱,倒塌模式主要表现为跨内整体塌陷,悬挑段反挑。
　　 (3)提出了一种将结构爆炸响应分析分两步进行的数值模拟方法,并将该方法应用于对钢框架结构在爆炸荷载作用下动态响应和破坏倒塌的分析。首先,采用AUTODYN中Remap技术模拟了爆炸波在空气中的传播过程,利用压强测点记录框架结构梁、柱表面的爆炸压强值,并根据计算结果,研究了压强分布规律；其次,建立了钢框架的精细化有限元模型,并将前一步记录的爆炸压强逐一施加于结构构件上,利用LS-DYNA显式求解器计算结构在爆炸荷载作用下的动态响应和破坏过程。研究表明:相同炸药量和爆炸距离情况下,作用于梁、柱表面的压强明显小于作用于大面积墙体表面的爆炸压强；在框架节点附近区域的压强分布存在骤增或骤减；美国防爆安全局主持编写的《突发性爆炸荷载作用下结构设计手册》(TM5-1300)不能用于估算作用于框架梁、柱表面的爆炸荷载值；钢框架整体结构具有较好的抗爆性能,在一般规模的室外爆炸事件发生时,主体结构能够保证整体安全;但在发生超大规模爆炸时,易发生次梁塌落等局部破坏,也可能发生连续性整体倒塌。
　　 (4)提出了一种用于研究在爆炸或冲击荷载作用下脆性材料破碎过程的数值方法,并将该方法应用于研究单层砌体填充墙在爆炸冲击波作用下的破坏过程。该方法以断裂力学、微观裂缝发展原理和空气动力学为理论基础,以显式有限元程序为辅助工具,用于计算碎片几何尺寸和碎片抛射距离。利用Drucker—Prager修正模型模拟砖和砂浆在爆炸荷载作用下的本构关系,充分考虑了材料的物理损伤和高应变率效应。另外,引入了一种等效砌体模型,并通过对比分析,验证了该等效模型的高效性和准确性。根据对多个不同爆炸比例距离的爆炸工况中砌体填充墙碎片特性的数值计算,分析了爆炸比例距离分别与砌体碎片尺寸和抛射距离分布特征的定量关系。研究表明:碎片尺寸的概率密度函数可用广义极限分布函数表示；当比例距离较小时,抛射距离的概率密度函数同样符合广义极限分布；当比例距离较大时,抛射距离的概率密度函数符合指数分布。碎片尺寸的均值和方差均与爆炸比例距离线性相关；而抛射距离的均值和方差与比例距离的关系可用波尔兹曼方程表示。