近场爆炸下波纹双钢板混凝土组合墙板的损伤破坏及抗爆性能

相对于传统的钢筋混凝土墙板和平面双钢板-混凝土组合墙板(profiled double-skin composite wall,PDSCW),波纹双钢板-混凝土组合墙板(concrete-infilled double steel corrugatedplate wall,CDSCW)具有更高的轴向抗压承载力、更大的侧向抗弯刚度以及良好的抗冲击和抗震性能,在船舶和军事领域有广阔的应用前景。制作2种CDSCW试件,通过近场爆炸试验对比分析了2种试件的损伤模式及动态响应;采用ANSYS/LS-DYNA软件建立了CDSCW和PDSCW的有限元模型,研究了近场爆炸下2种混凝土组合墙板的损伤机理和爆炸响应,并与试验结果进行对比分析;分析了混凝土厚度、钢板厚度、药量对CDSCW抗爆性能的影响。结果表明:近场爆炸作用下,相较于PDSCW,相同混凝土方量和尺寸(长、宽)的CDSCW具有更大的抗弯刚度、更强的抗变形能力以及更优的抗爆性能;增加波纹深度能有效提高CDSCW的抗爆性能,可为抗爆构件设计和相关工程研究提供参考。

L型隔板弧形双钢板组合墙板抗爆性能试验与数值研究

弧形双钢板混凝土组合墙板结构具有和拱结构相同的传力机理,可以充分发挥混凝土优异的抗压性能,极大地提高了结构的承载力。该文开展了L型隔板弧形双钢板混凝土组合墙板(L-shaped-Curved Double Steel Concrete Composite Wallboard,L-CDSCW)在近场爆炸作用下的试验研究,通过混凝土的损伤分析和结构变形分析探究其抗爆性能。基于ANSYS/LS-DYNA软件进行了L-CDSCW试件爆炸响应的数值分析,参数化分析了不同关键参数对L-CDSCW试件抗爆性能的影响规律。结果表明:近场爆炸作用下,L-CDSCW试件未出现倒塌或崩塌现象,具有较强的抗爆性能;增加钢板厚度可以减小混凝土跨中凹陷深度和混凝土塑性破坏;增加TNT当量和降低爆距会显著增加底部钢板跨中最大挠度,同时也会增加混凝土跨中凹陷深度和混凝土损伤。研究结果可以为弧形双钢板混凝土组合板的应用提供一定的技术参考。

栓钉型弧形双钢板混凝土组合板的抗爆性能试验与数值分析

弧形双钢板混凝土组合结构由钢板、混凝土与连接件协同作用,具有更优异的抗震和抗爆性能,被应用于超高层结构、海洋平台和核电设施中。利用试验和数值分析方法研究了栓钉型弧形双钢板混凝土组合结构的破坏模式和损伤机理,参数化分析了爆炸距离、钢板厚度、拱高和栓钉间距对其抗爆性能的影响。结果表明:在爆炸荷载下,栓钉型弧形双钢板混凝土组合板整体表现良好,仍具有较高的承载能力。增加爆炸距离和钢板厚度能有效减小混凝土的损伤和组合板的跨中挠度;减小拱高,混凝土损伤区域从以压缩破坏为主逐渐转换为以拉伸破坏为主,混凝土损伤更严重,组合板跨中挠度变大;减小栓钉间距会增大混凝土塑性损伤程度,但组合板的跨中挠度减小。研究结果可为弧形双钢板混凝土组合结构的设计提供参考。

舰船舱内爆炸载荷下Y形夹层板动响应及抗爆性能影响因素

针对反舰武器攻击下舰船结构抗毁伤防护问题,采用小型舱室模型实验结合有限元数值分析的方法,分析不同爆距下Y形夹层板结构的动响应特性,总结得到Y形夹层板结构面板的7种变形模式,发现面板变形模式与爆距和与其相连芯层刚度的相对强弱有关,爆距较小时面板易发生局部隆起变形,爆距较大则易发生整体碟形变形或板格变形,芯层强、面板弱时面板易发生板格变形,面板强、芯层弱时则易发生整体碟形变形,迎爆面板和V形芯层的刚度较大时背爆面面板则发生整体碟形变形。总结了Y形芯层在舱内爆炸载荷作用下的3种典型变形情况,即V屈曲I失稳、V屈曲I不变、V不变I不变;探究了迎爆面面板厚度、V形芯层厚度和I形芯层厚度对Y形夹层板结构抗爆性能的影响,发现增加迎爆面面板厚度和I形芯层厚度都可以显著降低背板变形,但增加迎爆面面板厚度会使得结构总吸能降低,增加I形芯层厚度则结构总吸能基本不变,增加V形芯层厚度则V形芯层吸能急剧下降,背板最大变形先增加再减小,结构总吸能下降。

接触爆炸下聚脲涂层增强钢板的抗爆性能

为满足装甲车等武器装备在接触爆炸下的防护需求,通过实验与数值模拟开展单层钢板及迎/背爆面聚脲增强钢板接触爆炸下的抗爆性能研究,分析不同面密度、不同聚脲涂覆位置下钢板的破坏模式及防护机理,探究在一定面密度下钢板-聚脲厚度比对复合结构抗爆性能的影响。研究结果表明:背爆面涂覆等厚度聚脲能够有效减小钢板背面穿孔及拉伸破坏,降低结构残余位移,迎爆面涂覆等厚度聚脲能够显著增强结构抗爆能力,使接触爆炸下的钢板损伤大大降低;相同面密度下,聚脲吸能性能与聚脲厚度正相关,但是聚脲过厚会导致复合结构变形加大,稳定性降低;综合考虑聚脲增强钢板结构的破坏变形、速度衰减以及能量吸收情况,在研究范围内,钢板迎爆面涂覆厚度比为1∶0.78的聚脲层具有最佳的抗爆性能。

钢筋混凝土拱的水下抗爆性能

为探究水下爆炸荷载作用下钢筋混凝土拱的动力响应特性和破坏特征,制作了两个钢筋混凝土拱试件,并开展了水下爆炸试验。试验分为拱外爆炸和拱内爆炸两组,采用10 g乳化炸药,试验时爆源距结构面最小距离为10 cm(起爆点位于拱结构正上方和正下方),通过传感器记录爆炸试验中钢筋混凝土拱典型断面处的水压力及加速度时程曲线。基于Arbitrary Lagrange-Euler(ALE)算法,建立了空气-水-炸药-钢筋混凝土拱等多介质动态耦合作用模型,将数值模拟结果与试验结果对比,验证了数值方法的可靠性。采用验证后的数值模型进一步研究了拱外及拱内爆炸荷载作用下钢筋混凝土拱的动力响应差异。结果表明:相同炸药当量下,内部爆炸有更多的能量作用于混凝土拱,使结构的动力响应更强烈;外部爆炸下,拱顶、拱腰处产生较大裂缝;内部爆炸时,迎爆面裂缝数量明显增多,拱肩位置出现裂缝。钢筋混凝土拱形结构抵抗外部爆炸荷载的能力明显强于内部爆炸荷载。

不同起爆条件下双钢壁LNG储罐抗爆性能分析

由于双钢壁储罐具有建造周期短、投资小等优点,在LNG储存中应用越来越广泛,但其易在外罐受到外部冲击时引发内罐的破坏。为了分析储罐在不同外爆载荷条件下的破坏行为,以双钢壁LNG储罐为研究对象,考虑内、外罐及保冷材料之间的载荷传递与相互作用,建立了外罐-保冷材料-内罐多介质的多相耦合有限元模型,并对多影响因素下储罐在外爆载荷作用下的破坏进行了分析,探究其抗爆性能。结果表明:在外爆载荷作用下,内、外罐从迎爆面中心向内凹陷直至发生破坏,最大应力均在迎爆面中心,且越靠近中心应力值越大;内、外罐材料均先达到屈服强度后发生塑性变形,随后达到失效应变值并发生破坏;与外罐相比,内罐发生破坏的时间晚42.9%,变形范围和破坏范围分别小12.3%、6.7%;储罐的抗爆性能随着储存液位的升高和罐体容积的增大而增强,随着起爆位置从罐壁中心向上、下两侧移动而提高,在罐壁中心起爆时储罐的破坏程度最大。该研究成果可为双钢壁LNG储罐的设计和储存液位的控制等方面提供理论参考依据。

气云爆炸条件下消防炮的抗爆性能研究

以换流变压器站变压器燃爆防控及消防应用为背景,针对变压器在失控条件下可能发生的燃爆事故,通过设计模拟试验,完成变压器燃爆事故的模拟。进而对现有消防设备消防炮的功能可靠性和抗爆性能进行验证。结果发现,在高温、高压的气云爆炸火球范围内,消防炮的抗爆性能无法满足实际需要,在变压器爆炸后存在功能损失的情况。发现了消防炮自身的抗爆薄弱环节,提出了消防炮抗爆设计及安装改进建议。可为换流变压器站的抗爆型消防炮设计提供基础数据参考。

连接方式对蜂窝夹芯结构抗爆性能的影响规律研究

目的旨在探究近场空爆载荷作用下蜂窝夹芯结构面板与芯层的连接方式对抗爆性能的影响。方法分别设计了由激光选区熔化技术打印制备的316L不锈钢一体式蜂窝夹芯结构和分离式蜂窝夹芯结构2种构型,并进行了50 mm爆距的爆炸冲击实验。后又结合数值模拟方法对比分析了一体式、分离式、胶接式和焊接式4种连接方式在爆炸载荷作用下的动态响应过程,并分别从各层结构变形失效、背板最大残余挠度及吸能等角度联合揭示了抗爆性能差异及其影响规律。结果一体式蜂窝夹芯结构背板最大残余挠度为17.5mm,相比分离式、胶接式和焊接式,分别减少了47.3%、43.0%、28.3%。爆炸冲击结束后,一体式蜂窝夹芯结构的总塑性应变能和背板应变能占比分别为866.9J、13.3%,与焊接式蜂窝夹芯结构的相近,但其总塑性应变能较分离式、胶接式分别低4.1%、16.6%,而背板应变能占比则较二者分别低13.8%、14.3%。结论通过实验与仿真研究,证明了连接强度对蜂窝夹芯结构抗爆性能具有显著的影响,其中一体式结构抗爆性能表现最佳,且连接强度越高,其运动速度越小,响应时间也越短,对其提升防护结构的减震效果具有重要作用。

玻璃纤维增强型钢筋混凝土梁抗爆性能试验研究

为了研究玻璃纤维混凝土梁的抗爆性能,对1根未掺纤维的普通钢筋混凝土(RC)梁和4根玻璃纤维体积掺量分别为0.05%、0.10%、0.15%、0.20%的玻璃纤维钢筋混凝土(GFRC)梁进行爆炸试验,综合分析玻璃纤维体积掺量对钢筋混凝土梁结构在爆炸荷载作用下动态响应的影响。结果表明:4根GFRC梁在爆炸荷载作用下的加速度、应变、损伤指数值、裂缝数量和宽度均小于RC梁,且玻璃纤维体积掺量为0.15%的混凝土梁各项指标相对最小,表明掺入一定量的玻璃纤维能有效抑制混凝土中裂纹的萌生和扩展,可以提高混凝土梁的抗爆性能,且玻璃纤维体积掺量为0.15%的玻璃纤维钢筋混凝土梁抗爆性能较优。

装配式预应力槽型板抗爆性能研究及工程应用

对装配式预应力槽型板进行抗爆性能试验,再用ABAQUS软件对槽型板试验对比分析,验证了有限元分析结果的准确性。同时利用该有限元软件对足尺截面的槽型板进行模拟,对比分析了静载和动载形式下结构的破坏形式和受力形态,最后介绍装配式预应力槽型板结构的工程应用,结果表明:装配式预应力槽型板在5级人防荷载作用下结构处于完全弹性状态,4级荷载作用下仅出现细小受拉裂纹,塑性变形小,说明混凝土槽型板可以承受4级人防荷载不受破坏。ABAQUS软件对试验模拟准确性高,为结构抗爆性能分析提供了可行的解决方案。装配式预应力槽型板结构在爆炸荷载作用下具有良好延性。装配式预应力槽型板结构符合我国装配式建筑的要求,具有省时、省人工、节能及高质量等优势,有利于在工程中应用及推广。

不同方案钢板混凝土防爆墙的抗爆性能分析

减小爆炸破坏的有效方法是在爆炸点与建筑物之间设置一道防爆墙。采用LS-DYNA软件借助已有文献推荐的方法建立数值分析模型。研究了不同药量爆炸荷载下钢筋混凝土防爆墙(RCBW)的破坏过程。提出了4种不同方案的钢板混凝土防爆墙并对其抗爆性能进行分析、排序。最后,利用RC框架作为防护对象,分析不同钢板混凝土防爆墙的防爆效果。结果表明:爆炸荷载下钢筋混凝土防爆墙的破坏过程分为3个阶段,处于第3阶段的钢筋混凝土防爆墙发生严重的破坏。相比较于钢筋混凝土防爆墙,4种不同方案的钢板混凝土防爆墙的抗爆性能均有明显的提高,其中双面钢板混凝土防爆墙的防爆效果最好。爆炸荷载下,经双面钢板混凝土防爆墙防护后的RC框架柱没有发生任何破坏,而经其他3种方案防护的框架柱均有一定程度的塑性损伤。

内爆炸载荷下双向波纹夹芯管的动力响应及抗爆性能预测

受孔雀螳螂虾前鄂抗冲击区结构启发,设计并制备了双向波纹夹芯管结构,采用实验和数值模拟相结合的方法研究了其在内爆炸载荷下的动态响应及能量吸收机制。实验获得了结构的外管中点最大挠度和3种典型变形模式:局部塑性变形、塑性大变形以及撕裂破坏。内外管中点最大挠度和结构最终变形模态的数值模拟结果与实验结果吻合较好。通过数值模拟研究了芯层波纹数、内外管壁厚以及炸药质量对外管中点最大挠度和能量吸收特性的影响,结果表明:随着波纹数增大,结构比吸能先增大后减小;增大内管壁厚和减小外管壁厚能有效地提高结构的抗爆性能,当结构内管壁厚为2.5 mm、外管壁厚为1.5 mm时,相比于内管壁厚为1.5 mm、外管壁厚为2.5 mm时,外管中点最大挠度降低了67.6%,质量降低了6.0%;随着TNT当量的增加,内管吸收的能量占比逐渐下降,而芯层和外管吸收的能量占比增加。建立了BP(back propagation)神经网络模型、PSO-BP(particle swarm optimization-back propagation)神经网络模型以及响应面分析模型,分别对结构的比吸能与外管中点最大挠度进行预测,优化了所提出的结构。

装甲车辆用防爆复合结构抗爆性能试验技术研究

为考核装甲车辆用防爆复合结构的抗爆性能,提出了基于底甲板损伤等级和(AIS)人体伤害/防护等级为防爆判据的台架试验方法和模拟舱体试验方法。建立了防爆复合结构抗6 kg TNT当量的试验平台,并进行了防爆复合结构抗6 kg TNT当量爆炸性能验证试验。台架试验后基板的稳态变形量为47.451 mm,模拟舱体试验后舱内模拟假人各项关键部位测试结果均在指标范围内,这表明该防爆复合结构具有良好的抗爆性能,对装甲车辆底甲板具有一定的保护作用,并且能够有效保护模拟舱体内部人员。此外,上述试验结果还表明,提出的台架试验方法和模拟舱体试验方法能够较好地考核和评价装甲车辆用防爆复合结构的抗爆性能。

倾斜式防爆墙抗爆性能有限元数值分析与实验验证

采用数值模拟和试验研究方法研究了倾斜式防爆墙的抗爆性能。首先基于LS-DYNA软件建立不同倾斜防爆墙的有限元数值分析模型,分析了不同倾斜角度对爆炸冲击波传播规律,防爆墙爆炸冲击反射波和墙后绕射波压力峰值的影响。最后选择70°倾斜防爆墙作为典型的倾斜式防爆墙开展了试验研究。数值分析结果表明:防爆墙体倾斜角度每减少10°,同爆距下爆炸冲击波到达防爆墙的时间延长0.1~0.5 ms,迎爆面上反射压力峰值降低0.5~1 MPa。实验表明:5 kg药球爆炸时70°倾斜防爆墙上爆炸冲击波反射压力实测时程曲线与数值模拟时程曲线基本吻合,引爆面上最大反射压力峰值为2.04 MPa,实测消波系数为80.6%,比数值模拟值提高了13.7%。70°倾斜式防爆墙能够阻挡5 kg药球间距2 m三次累计爆炸冲击。

波纹钢厚度对复合结构损伤特性及抗爆性能的影响

为探究不同厚度波纹钢加固混凝土板的抗爆性能,采用FEM-SPH耦合方法建立接触爆炸荷载下波纹钢-混凝土板复合结构三维精细化数值仿真模型,对比分析爆炸试验模拟结果与试验结果;探究波纹钢厚度变化对复合结构动力响应、损伤演化特征及毁伤模式的影响,揭示复合结构中冲击波的传播机理,并对复合结构毁伤预测并评价。研究结果表明,波纹钢-混凝土板复合结构中混凝土板爆坑直径的模拟结果与试验结果高度吻合;复合结构中波纹钢跨中位移、峰值应力和应变随波纹钢厚度增加而减小,而能量吸收值随波纹钢厚度增加而增大;复合结构的损伤范围随波纹钢厚度增大逐渐缩小,其破坏模式为混凝土板的爆坑和贯穿破坏;预测公式可以很好地算出混凝土板爆坑直径和深度,复合结构抗爆性能随波纹钢厚度增加而提高。研究成果可为波纹钢-混凝土板复合结构在结构抗爆防护领域的应用提供理论基础。

FRP-混凝土-钢双壁空心柱的抗爆性能分析

纤维增强复合材料(fiber reinforced polymer,FRP)-混凝土-钢双壁空心柱是一种新型混凝土组合柱,由外层FRP管、内层钢管及两管间填充的混凝土组成。针对FRP-混凝土-钢双壁空心柱在近场爆炸荷载下的抗爆性能进行了数值模拟。采用任意拉格朗日欧拉法(arbitrary Lagrangian Eulerian,ALE)进行建模,并基于已有的试验结果验证所建模型的准确性。利用验证后的数值模型,对爆炸冲击波传递过程、混凝土损伤发展、FRP管环向应变、爆炸后剩余力学性能以及参数进行了分析。结果表明,FRP管能有效约束爆炸区域内的夹层混凝土;爆炸后双壁空心柱的轴向承载力明显减小、轴向刚度明显下降;通过增加FRP管、钢管厚度,以及减小空心率能提高双壁空心柱的抗爆性能,其中前两项的影响更为显著。

楼板大开洞的两层中控室抗爆性能分析

为研究楼板大开洞的两层中控室在爆炸荷载作用下抗爆性能,以某石化项目楼板大开洞的2层中控室为案例,进行了有限元动力弹塑性计算。通过对楼板大开洞和无开洞两个不同工况模型的抗爆前墙位移响应及变形指标计算结果进行对比,并分析抗爆前墙位移云图的发展规律,总结了大开洞楼板对抗爆前墙的支座效果;分析了大开洞楼板的混凝土受压损伤扩展过程;基于2层抗爆控制室的结构模型及传力路径,对抗爆前墙位移发展规律及大开洞楼板混凝土受压损伤扩展过程的机理进行了研究。结果表明:大开洞楼板对抗爆前墙的支座效果不理想,抗爆前墙的最大位移出现在通高跨中,且位移远大于楼板未开洞的对应结果;前墙楼板两端混凝土损伤明显,最大应变超过了极限压应变,发生了塑性破坏;前墙楼板范围内的框架会抵抗更多爆炸荷载,框架形成更大的损伤,不利于中控室的防倒塌设计。

气云爆炸下波纹板结构特征对抗爆性能影响研究

为分析波纹板结构在气云爆炸荷载下抗爆性能,减少爆炸事故中人员伤亡及财产损失,建立了基于Johnson-Cook模型和CONWEP控制方程的波纹结构数值仿真模型,并通过气体爆炸试验验证了仿真模型的准确性。通过调整波纹板厚度、坡深、波宽等参数,分析波纹结构在气体爆炸下动态响应规律。结果表明,波纹板变形量与波纹板厚度t、坡深h呈负相关,与波宽L 1、坡宽L 2呈正相关,其中,受厚度t的影响最为显著,坡深h次之,波宽L 1、坡宽L 2较小。研究结果可为高性能波纹结构抗爆设计提供技术支撑。

外部荷载作用下隧道结构抗爆性能的简化数值模拟研究

为研究外部荷载作用下隧道结构抗爆性能,基于有限元软件LS-DYNA,建立了地下浅埋钢筋混凝土箱型隧道结构抗爆的简化3D数值模型,并对爆炸荷载进行简化,进一步考虑模型土体延伸范围的影响,最后通过与试验数据对比验证了该建模方法的有效性。