爆炸荷载下预制节段拼装双层钢管混凝土墩柱的动力响应数值模拟

为提升装配式公路桥梁的抗爆防护能力,提出了一种新型预制节段拼装双层钢管混凝土(PS-CFDST)组合墩柱.基于非线性显式动力分析程序LS-DYNA建立了新型PS-CFDST墩柱在爆炸荷载作用下动力响应分析的精细有限元模型,并通过已有试验结果验证了模型的准确性.对爆炸荷载作用下PS-CFDST墩柱的动力响应进行数值模拟分析,研究了PS-CFDST墩柱在爆炸荷载作用下的破坏过程、损伤机理和耗能机制.运用参数化分析方法,研究了爆炸距离、节段数量和预应力水平等关键参数对PS-CFDST墩柱动力响应的影响,并在此基础上提出了PS-CFDST墩柱的抗爆设计建议.结果表明:PS-CFDST墩柱除通过材料塑性损伤耗能之外,节段接缝界面滑移耗能机制对耗能贡献可达40%以上;增大墩柱可接近距离是提升墩柱抗爆安全性的有效手段,增大预应力有利于减小柱中最大水平位移和墩底剪切滑移,从而提升PS-CFDST墩柱的抗爆性能.

近场近地爆炸下建筑柱爆炸荷载分布规律及简化模型

为了快速评估近场近地爆炸荷载下建筑柱的动力响应和破坏模式,通过数值仿真方法,探究了近场近地爆炸工况下冲击波在建筑柱迎爆面的分布规律,并提供了该工况下的爆炸荷载简化模型。为此,首先利用已有实验数据验证数值模型,并建立典型近地近场爆炸工况的数值模型,然后研究比例爆距和比例爆高对建筑柱冲击波特征参数的影响规律,最后拟合出柱迎爆面反射冲量和正相超压持续时间的计算公式,将柱迎爆面各点爆炸荷载转化为等效三角形荷载模型,为工程实践中建筑柱遭受近场近地爆炸作用下的抗爆设计提供荷载输入。研究结果表明:当比例爆高小于0.3 m/kg1/3、比例爆距在0.4~0.6 m/kg1/3范围时,最大反射冲量沿柱高可简化为三折线分布;当比例爆距在0.6~1.4 m/kg1/3范围时,最大反射冲量沿柱高可近似简化为双折线分布;在同一比例爆距和比例爆高工况下,随着炸药当量的增加,柱迎爆面相同比例高度处反射超压峰值保持不变而反射冲量正比于当量的立方根。

爆炸荷载作用下不锈钢管混凝土构件工作机理研究

本文进行不锈钢管混凝土构件在爆炸荷载作用下力学性能的试验研究,试验参数包括钢管截面形式(圆形、方形)、比例距离及有无填充混凝土。建立爆炸荷载作用下不锈钢管混凝土构件动态响应的有限元分析模型,模型计算结果得到试验结果的验证。基于验证的有限元计算模型,对比分析不同条件下不锈钢管混凝土和普通钢管混凝土构件的破坏形态、动态响应和耗能规律。试验和有限元分析结果均表明:随着比例距离减小,构件的破坏程度由弹性变形到弯曲破坏或剪切破坏;混凝土的填充能够有效延缓钢管发生局部屈曲和破坏,构件的承载能力、变形能力和耗能能力得到有效提升,进而提高构件的抗爆性能。在近场爆炸范围内,不锈钢管混凝土和普通钢管混凝土构件均出现三种可能的整体破坏形态,即弯曲破坏、弯剪破坏和剪切破坏,另还伴随有较明显的局部破坏形态;在条件相同包括名义屈服强度相同的情况下,不锈钢管混凝土构件的抗爆性能优于相应普通钢管混凝土构件。

爆炸荷载下背爆面柔性聚脲防护混凝土靶板的反直观行为

金属结构在冲击载荷作用下,最终的变形方向与加载的方向相反,这一现象被称为反直观行为,试验发现背爆面柔性聚脲防护混凝土靶板在75 g TNT爆炸荷载下也发生了反直观行为。为了研究背爆面柔性聚脲防护混凝土靶板在爆炸荷载下的反直观行为,采用ANSYS/LSDYNA有限元软件,建立了背爆面柔性聚脲防护混凝土靶板在爆炸荷载作用下的有限元模型。利用有限元模型分析背爆面柔性聚脲防护混凝土靶板的动态响应规律,从能量的角度研究靶板反直观行为的发生机理。以靶板的中心点位移和挠度为指标,参数化分析了炸药药量和聚脲涂层厚度对靶板反直观行为的影响规律。结果表明:靶板的反直观行为是由聚脲涂层的应变能释放、混凝土损伤破坏的能量耗散及两种材料间能量的相互转化这三种因素共同作用导致的;炸药药量是反直观行为能否发生的关键因素,当药量较低或较高时,靶板都无法发生反直观行为;涂层厚度在2~8 mm范围内,靶板均出现了反直观行为,其弯曲程度随着涂层厚度的增加先增大后减小。

爆炸荷载线性强化抗力模型梁构件动力系数研究

目前梁构件抗爆设计动力系数计算常采用理想弹塑性抗力模型,制约着塑性强化抗力构件的精细化抗爆设计。为解决线性强化抗力类型梁构件的爆炸作用动力系数计算问题,由抗力强化系数和阻尼比数值大小关系,分三种情况推导了柔性和刚性两类构件关于延性比的动力系数解析解。有限元分析及规范对比算例表明,本文推导理论公式精度较高,与抗爆设计规范公式计算结果趋势相似;延性比为1时,抗力强化系数与动力系数无关;延性比大于1且抗力强化系数小于0.01时,可忽略抗力强化系数的影响;延性比大于2时,需考虑阻尼参数后完成抗爆设计分析;延性比大于3时且抗力强化系数大于0.1时,线性强化抗力模型具有较好经济效益。

考虑岩体破坏分区的岩石爆破爆炸荷载历程研究

针对岩石爆破爆炸荷载历程中未联合考虑岩石爆破动态过程和炮孔周围岩体破坏分区的不足,开展了考虑岩体破坏分区的岩石爆破爆炸荷载历程及其适用性研究。联合岩石爆破动态过程和岩体破坏分区的理论解,推导了考虑岩体破坏分区的岩石爆破爆炸荷载理论公式,比较了考虑岩体破坏分区的岩石爆破爆炸荷载历程与实测炮孔爆炸压力曲线,开展了单孔爆破现场试验和相应条件下3种爆炸荷载工况的数值模拟,并对爆破振动现场实测和数值模拟结果进行了对比。研究结果表明:考虑岩体破坏分区的爆炸荷载历程包括上升段和衰减段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ,上升段持续时间极短,衰减段持续时间较长且主要由填塞情况控制;考虑岩体破坏分区的爆炸荷载历程理论计算结果与实测炮孔爆炸压力曲线的变化趋势一致,验证了考虑岩体破坏分区的岩石爆破爆炸荷载理论公式的可靠性;考虑岩体破坏分区的爆炸荷载工况下,单孔爆破振动波形的数值模拟结果与现场实测结果的主要特征一致,该荷载工况下质点峰值振速计算结果与现场实测值偏差率最小,绝大部分在7%以内,表明了其应用于数值模拟的优越性;考虑岩体破坏分区的爆炸荷载可随岩石爆破系统条件的变化而动态调整,其可靠性好、适应性强、应用效果佳。

爆炸荷载作用下曲面钢-混凝土钢组合板的动态响应研究

为探究钢-混凝土-钢组合板(组合板)的抗爆性能,设计四种不同曲率的组合板;利用有限元软件ABAQUS对比研究这四种组合板在爆炸荷载作用下的损伤、位移和能量耗散情况。同时,以曲率为0.75的组合板为例,参数化分析了炸高、炸药量、钢板厚度、混凝土厚度、栓钉间距和直径对其动态响应的影响。研究表明:在相同爆炸作用下,组合板的最大动能和最大跨中位移均随着曲率增大而减小。当内外层钢板总厚度不变时,适度增大内层钢板厚度更有利于降低组合板的最大跨中位移。适度增加组合板的曲率,适度减小栓钉间距或增大栓钉直径均有利于提高组合板的抗爆性。根据非线性回归拟合得到了组合板的最大跨中位移与钢板厚度(或混凝土厚度)和炸药量的两种经验公式。

爆炸荷载作用下砌体填充墙对RC框架结构损伤破坏的影响

砌体填充墙作为非结构构件在建筑结构抗爆分析中常被忽略,而实际爆炸事故中填充墙多发生严重破坏,从而影响爆炸波的传播及其与结构的相互作用以及结构的损伤破坏等级。基于精细化数值仿真方法评估外部爆炸作用下砌体填充墙对钢筋混凝土(reinforced concrete,RC)框架结构损伤破坏的影响。首先,采用LS-DYNA有限元分析软件分别对典型砌体填充墙和含填充墙RC框架的近区爆炸试验进行复现,验证所采用的填充墙简化微观建模方法、材料本构模型和参数,以及任意拉格朗日欧拉爆炸荷载施加方法和爆炸波-结构流固耦合算法的适用性。进一步结合结构混合单元建模方法,开展了美国联邦应急管理署规定的普通轿车炸弹(454 kg TNT当量)在底层边柱位置爆炸下,6度、7度和8度抗震设防烈度的典型6层纯框架和含填充墙框架结构动力行为的数值仿真分析,考察了爆炸波传播路径,以及结构的动态响应、损伤破坏和抗倒塌机制。结果表明:该工况中填充墙能够有效阻挡爆炸波的传播,作用于目标柱相邻内柱上的超压峰值降低95%,减轻了内部构件的损伤程度;但同时加剧了结构迎爆面的损伤破坏,如3种抗震设防烈度的含填充墙框架目标柱柱中侧向位移较纯框架分别增加21.4%、31.1%和14.8%;不同抗震设防烈度的纯框架和含填充墙框架的顶层目标柱竖向位移基本相同,即抗震设防烈度及砌体填充墙对框架结构整体倒塌行为的影响可以忽略。

指数型爆炸荷载下含阻尼梁构件动力系数研究

指数型函数描述常规武器爆炸荷载更为精准,为研究该函数形状参数与阻尼比对梁构件动力系数的影响,按等效单自由度简化体系分别建立了柔性梁构件和刚性梁构件的动力响应微分方程,并求解了弹塑性阶段含动力系数的振动位移理论解。采用此理论解完成了形状参数取值1~2、阻尼比取值0.001~0.100、延性比取值1~4范围内共48种典型工况下动力系数的计算,并进一步通过现行抗爆设计规范公式、有限元分析的动力系数完成了算例验证及误差分析,说明了所推导理论解答的可行性。研究结果表明:所求理论解与抗爆设计规范计算结果趋势相同,规范公式整体上较为保守;形状参数和阻尼比的增大均对动力系数有降低作用,阻尼比的影响作用更大,形状参数对刚性梁构件的影响大于柔性梁构件。

爆炸荷载作用下型钢混凝土柱的失效时间研究

为了研究爆炸荷载作用下型钢混凝土柱的失效时间,以某建筑工程项目中采用的型钢混凝土柱为背景,利用软件LS-DYNA建立复杂炸药-空气-型钢混凝土柱三维有限元模型。然后通过数值仿真结果与试验数据对比验证有限元模型及其分析方法的合理性和正确性。最后研究了不同轴压比不同爆炸比距离下型钢混凝土柱的失效过程、失效模式和失效时间。通过对典型算例的分析表明,在临近爆炸场内,型钢混凝土柱绝大部分发生严重损伤和彻底失效;只有当爆炸比距离较大和轴压比较低时,才会发生中等损伤;未出现轻微损伤。轴压比对型钢混凝土柱的失效模式和抗爆性能有很大影响,在轴压比从0.40到0.60范围内有利于提高型钢混凝土柱的抗爆性能。型钢混凝土柱的失效时间从18~118 ms,该型钢混凝土柱失效时间的计算公式可以很好地预测型钢混凝土柱的失效时间。

小药量双重爆炸荷载作用下钢筋混凝土板动力响应研究

为研究小药量双重爆炸荷载作用下钢筋混凝土板的动力响应,采用有限元软件LS-DYNA建立了钢筋混凝土板的三维有限元模型。通过与既有试验数据对比,验证了数值模型的合理性;并采用所建数值模型,进一步研究了小药量双重爆炸荷载作用下钢筋混凝土板的动力行为特征。结果表明,随着条形炸药放置角度的不同,混凝土板面的损伤破坏区域呈现出始终沿条形炸药长度方向上分布的规律。小药量双重爆炸荷载作用下,钢筋混凝土板的损伤破坏主要发生在第一次爆炸期间;钢筋混凝土板位移、钢筋轴力和轴向应变在第二次爆炸荷载作用下的增长显著。

爆炸荷载作用下钢筋混凝土板性能分析

为了分析爆炸荷载作用下钢筋混凝土板的动力响应,利用有限元开展了单点接触爆炸荷载作用下钢筋混凝土板的压力、位移、钢筋应力-时程响应。结果表明:所有测点的超压时程响应曲线呈现正态分布的趋势;钢筋混凝土板迎爆面最大位移随时间的增加呈现先增加后减小再增加的趋势,表现为倒三角的形状;钢筋混凝土板内部的上层钢筋呈现为受压状态,压力值在0.5s时快速达到峰值15×103Pa;下层钢筋处于受拉状态,爆炸后拉应力在1s时快速达到峰值6×103Pa;当混凝土强度从30MPa增加至70MPa,钢筋混凝土板内部的最大位移降幅为44.2%;当钢筋屈服强度为250MPa增至500MPa,钢筋混凝土板内部的最大位移降幅为16.5%。

爆炸荷载下装配式桥墩损伤因素灰色关联分析

装配式桥墩在桥梁施工领域得到广泛的应用,常受偶然爆炸或恐怖袭击的打击影响。为研究爆炸荷载下装配式桥墩损伤因素的影响规律,采用ANSYS/Workbench建立了近场爆炸荷载作用下的装配式桥墩数值模型,基于桥墩剩余承载力,提出以破坏参数D作为抗爆性指标,以炸药当量、爆心距离、初始预应力大小、节段数和剪力键的设置为损伤因素,分析了5种因素对桥墩损伤程度影响。在此基础上,利用灰色关联分析法衡量爆炸荷载下装配式桥墩损伤因素之间关联度的指标与贡献度。结果表明:增大初始预应力、节段间设置剪力键其破坏参数D的综合降低率为32.1%、29.6%,均能有效降低墩柱的损伤,与装配式桥墩抗爆受损有良好的关联性;而增加剪力键高度和节段数为12%、7.2%,对墩柱损伤影响较小;5种因素对爆炸荷载下装配式桥墩损伤影响的关联度从大到小为:TNT当量、爆心距离、初张拉预应力、剪力键的设置、节段数量。装配式桥墩抗爆设计中,可优先考虑提高初张拉预应力大小、设置剪力键等关联度较大的因素,灰色关联分析法对爆炸荷载下装配式桥墩损伤因素分析具有一定的参考性。

近场爆炸荷载作用下装配式钢筋混凝土叠合板抗爆性能数值分析

为深入研究爆炸荷载作用下装配式钢筋混凝土(PC)叠合板的动力性能,本文采用LS-DYNA软件建立装配式钢筋混凝土叠合板数值模型,对不同工况下叠合板破坏形态、动力响应展开了显式动力分析,并考虑浇筑方式、混凝土抗压强度、叠合面处理形式等因素对抗爆性能的影响.结果表明:建立的数值模型能够较好地模拟开展叠合板抗爆性能研究,叠合板的破坏形态与炸药量和比例距离密切相关;增加现浇层和预制层混凝土的强度等级、增大叠合面的摩擦系数均能改善装配式钢筋混凝土叠合板的抗爆性能.

爆炸荷载下高性能混凝土防护钢筋混凝土矩形墩动态力学响应研究

为揭示高性能混凝土(High-Performance Concrete,HPC)防护钢筋混凝土矩形墩在爆炸冲击荷载作用下的动态力学响应及损伤机理,以某跨大堤连续刚构桥钢筋混凝土矩形墩为研究对象进行有限元分析。基于K&C和C&S材料动态本构模型,采用ANSYS/LS-DYNA建立HPC防护前、后的钢筋混凝土矩形墩数值分析模型,对比分析爆炸荷载作用下HPC防护前、后钢筋混凝土矩形墩的动态力学响应,研究防护层厚度(20、30、40 cm)、TNT当量(275、300、325、350 kg)、TNT爆炸距离(10、9、8.5 m)对桥墩抗爆性能的影响。结果表明:HPC防护层能够提升钢筋混凝土矩形墩抗爆性能;采用40 cm厚防护层时,桥墩未出现大面积损伤;TNT当量是影响桥墩损伤特征的重要因素,TNT当量增至350 kg时,桥墩变形、箍筋及主筋应力均显著增加;同等防护条件下,桥墩损伤区域随TNT爆炸距离的减小而显著增加。进行桥墩抗爆防护设计时,应以TNT当量和TNT爆炸距离等条件为基础,设置合理的设防目标。

爆炸荷载多尺度分析方法在仿真计算中的应用

基于爆源子结构的爆炸荷载多尺度分析方法为复杂工况和大范围场地的爆炸数值计算提供了高效解决途径.该方法虽然理论清晰,计算效率高,但涉及大量空间节点数据的比对和读写,直接在仿真计算中应用可能会存在操作困难等问题.本文简要介绍了该方法的基本理论,研究了该方法在仿真计算中的应用技术,对单爆源和多爆源2种算例进行了对比分析.研究结果表明,爆炸荷载多尺度分析方法可较好地应用于大当量爆炸荷载作用下的大范围工程场地动力响应计算,计算效率显著优于炸药-介质-目标整体计算模型.计算得到的标准化爆炸荷载可快速加载至介质任意位置,避免重复建模和流固耦合计算,大幅提高计算效率.基于Python的自编程序可快速准确比对和读写空间节点坐标和数据信息,极大提高前处理效率.

爆炸荷载作用下三相饱和钙质砂的液化特性

由于钙质砂内部含有大量孔隙,钙质砂通常处于三相饱和状态,其液化特性与完全饱和状态有明显不同。采用自主研制的装置开展三相饱和钙质砂的大尺寸爆炸模型试验,分析三相饱和状态下钙质砂的爆炸液化特性,建立三相饱和钙质砂的超孔隙水压力的长期消散模型。针对三相饱和钙质砂自身特点建立其动力液化模型,通过对爆炸试验进行数值模拟验证模型的可靠性。有关研究结果为沿海岛屿的爆炸灾后地基稳定性分析及安全防护设施建设提供了重要参考。

爆炸荷载作用下大跨预应力混凝土框架动力响应分析

为了研究预应力混凝土(prestressed concrete,PC)框架结构的抗爆性能,利用有限元软件LS-DYNA对一栋3层2跨的大跨有/无黏结PC框架结构在不同比例距离的外部远爆荷载作用下的动力响应进行了分析。分析结果表明:混凝土预应力框架在地表远爆荷载作用下,最大层间位移角与前墙所受峰值反射超压近似成线性关系;有黏结混凝土预应力框架结构层间位移角相较于无黏结混凝土预应力框架更小,损伤分布更均匀,结构抗爆性能更好;基于分析结果,给出了不同比例距离对应的损伤状态,可用于对混凝土预应力框架结构进行爆炸损伤状态快速评估。

爆炸荷载作用下RC梁-板子结构抗连续倒塌动力效应研究

为研究爆炸荷载作用下建筑结构的抗连续倒塌性能。通过ANSYS/LS-DYNA有限元软件对爆炸荷载作用下钢筋混凝土(reinforced concrete,RC)梁-板子结构的抗连续倒塌动力效应进行研究,并对混凝土强度、钢筋配筋率和跨高比等参数进行拓展分析。研究结果表明,通过瞬间去柱模拟爆炸去柱会造成结构残余承载力和结构局部损伤程度偏保守或者偏高的后果。混凝土强度对结构的动力效应影响显著,当混凝土强度大于C40时,结构的压膜及压拱机制已足够阻止连续倒塌的发生。配筋率的提高对压拱机制抗力影响不大,但能显著提高悬链线机制的抗力。跨高比对结构抗力机制的发展有着显著的影响,降低跨高比可以提高结构压拱和压膜机制抗力,但是对悬链线机制抗力影响不大。

爆炸荷载下钢箱梁桥动力响应机理与关键参数研究

为了探讨钢箱梁桥在爆炸荷载下的动力响应机理及关键参数对其影响规律,基于流固耦合方法,建立了钢箱梁桥、空气和炸药有限元模型,分析了爆炸荷载下钢箱梁桥动力响应机理。随后针对钢箱梁桥的关键参数,分析了各参数对钢箱梁桥的动力响应影响灵敏度,提出了钢箱梁桥在抗爆设计时参数选取规律。研究结果表明:在爆炸荷载作用下,钢箱梁桥的破坏主要分为三阶段。钢材性能由Q345提高为907A钢,钢箱梁桥的凹坑深度和塑性变形区面积减小了33.91%和27.93%;截面形式和爆炸位置两个关键参数的改变涉及纵横隔板对主要迎爆区薄弱位置的加固,能够明显提高钢箱梁桥的抗爆能力。比例距离0.1 m/kg^(1/3),爆炸位置相同,约束形式由简支改为固支,对钢箱梁桥抗爆性能提升几乎无影响。