建筑物外部爆炸超压荷载的数值模拟

在对易于遭受爆炸危害的建筑物进行抗爆设计与加固时,首先需要确定作用在建筑物上的爆炸超压荷载模型。但是由于受到建筑物自身特征及周围环境等多种因素的影响,作用在建筑物上的爆炸超压荷载十分复杂。为了掌握作用在建筑物上的爆炸超压荷载的特性,应用非线性显式动力分析软件建立了建筑物外部爆炸超压荷载的数值分析模型,分析了网格划分尺寸的大小对爆炸超压荷载计算结果的影响,模拟了建筑物外部的刚性地面上发生爆炸的过程,研究了爆炸冲击波在建筑外部空间中的传播与衰减规律,以及作用在建筑物外表面的爆炸超压荷载的特性。模拟了邻近建筑物对爆炸冲击波的反射和阻挡作用,同时研究了邻近建筑物的几何尺寸和位置等因素对作用在目标建筑物上的爆炸超压荷载的影响,从而为在建筑物的抗爆设计与加固中确定合理的爆炸超压荷载模型提供了理论依据。

爆炸波在“交通核”空间的传播规律及超压荷载

《建筑设计防火规范》(GB50016-2014)将建筑高度超过54m的高层住宅建筑定义为一类高层住宅建筑,一类高层住宅建筑用于疏散的空间称为一类高层住宅建筑的"交通核",发生在"交通核"空间内的爆炸恐怖袭击会造成巨大的经济损失与人员伤亡.本文基于《建筑设计防火规范》(GB50016-2014),提出了高层住宅建筑的标准"交通核"方案;利用ANSYS/LS-DYNA建立了"交通核"的有限元模型;在其主要组成空间(合用前室与楼梯间)布置不同药量的TNT炸药,研究了爆炸波在其内部的传播规律;采集了"交通核"内结构构件主要参考点的超压数值并进行了分析,其结果为"交通核"抗爆设计提供了依据.

单侧弱面受限空间油气爆炸超压荷载的实验研究

为了研究油气在单侧含有弱面结构受限空间中的爆炸特征,构建了单侧开口短管道汽油蒸汽爆炸实验系统,研究了不同开口面积下汽油蒸汽爆炸过程中超压的变化规律。研究结果表明:开口率为25%和50%条件下,内场仅有一个超压峰值P_B,外场轴向有2个超压峰值P_B和P_(FV),且外场沿轴向和纵向超压值相差较大;开口率为100%条件下,内外场均有2个超压峰值P_B和P_(FV&EXT),且轴向和纵向超压峰值相差较小;25%开口率和50%开口率条件下油气爆炸火焰形态为喷射状,但未发生外部爆炸;100%开口率条件下火焰形态为蘑菇状,并且发生外部爆炸;随着初始油气浓度的升高,腔体内外超压峰值均先增大后减小,内外场最大超压峰值所对应的油气浓度为1.69%,外部爆炸超压峰值的最大值对应油气浓度为2.12%;随着初始点火能的升高,爆炸过程中的内外超压峰值均升高,而且外部爆炸发生所对应的初始油气浓度的范围增加。

城市复杂环境中爆炸波的传播规律与超压荷载

该文利用LS-DYNA软件,采用ALE方法,对城市复杂环境中爆炸波的传播规律与超压荷载进行了数值模拟和分析。通过对两建筑物模型中爆炸波传播的数值模拟及其与单建筑物模型的对比分析,结果表明两建筑物模型中爆炸波由于在两建筑物之间多次反射而被增强,因此在计算建筑物所受到的爆炸波超压荷载时必须考虑相邻建筑物的影响。通过对一典型T型街道中爆炸波传播的数值模拟及其与简单环境的对比分析,结果表明在城市街道中爆炸波受到地面和周边建筑物的多次反射而增强,且在一定高宽比范围内,街道越窄、周边建筑物越高,爆炸波超压荷载的增大系数越大,因此在分析城市复杂环境中爆炸波的传播规律和超压荷载时必须考虑周边建筑物的影响。从而为制定城市大型及重要建筑的防爆措施提供依据。

地铁车站内爆炸波的传播规律与超压荷载

地铁车站内人群密集、环境封闭,一旦发生意外或恐怖爆炸事件,爆炸波对车站结构的冲击作用更为强烈,甚至会引发结构破坏,造成大量的人员伤亡。数值模拟了地铁车站内爆炸波的传播过程,研究了爆炸波的传播和衰减规律,得到了爆炸发生时避免人受伤和死亡的安全距离,同时分析了结构高度和出口距爆源距离对爆炸波传播的影响。研究表明:地铁车站内爆炸波的传播时间更长、衰减更慢,对结构的破坏作用更大;结构高度不同不仅影响爆炸波的衰减,而且会引起波形的差异;出口的泄爆作用与出口距爆源的距离有关,出口距爆源越近,其泄爆作用越明显。

地铁口部爆炸冲击波传播规律与超压荷载研究

通过模拟计算研究地铁人员出入口爆炸冲击波的传播规律,研究表明:爆炸冲击波在地铁车站口部的半封闭空间存在多次反射,部分结构遭受多次冲击作用,防护密闭门和临空墙承受非平面波超压荷载作用。研究结果可供地铁等地下工程人员出入口口部设防技术标准和防护设备设施设计参考。

爆炸冲击荷载作用下高压输电塔钢管构件抗爆性能试验研究

钢管材料易采购、易加工、易安装、构造体型较好,迎风体型系数较小,因而在高压输电塔结构中得以推广使用,研究爆炸冲击荷载作用下钢管构件的抗爆性能具有重要的理论意义和工程实用价值。通过各比例距离下静爆试验,研究爆炸冲击荷载作用下钢管构件迎爆面、背爆面各测试点的超压数值,进一步掌握爆炸冲击波的传播规律和对钢管构件的作用特点。临近场爆炸时,钢管构件中部呈现出撕裂、局部屈曲的破坏形态;近场爆炸时,钢管构件主要受爆炸冲击荷载第一个波阵面正压的影响;远场爆炸时,钢管构件除受第一个波阵面影响外,地面反射的冲击波也对构件产生影响。

点火位置和障碍物对泄爆空间丙烷-空气爆炸荷载的影响

为研究点火位置和障碍物对泄爆空间丙烷-空气爆炸的影响,基于CFD软件FLACS建立了丙烷泄爆空间数值模型,通过丙烷泄爆试验结果对模型进行了验证,数值模型的计算结果基本可靠。利用已验证的数值模型进一步研究点火位置和障碍物对泄爆空间丙烷-空气混合气体爆炸荷载特性的影响。结果表明:随着点火位置到泄爆口的距离增大,Δp1、Δp2和pmax的峰值随之增大;障碍物的存在导致爆炸产生的湍流加剧,湍流燃烧增大了燃烧速度和燃烧面积,导致Δp1峰值和升压速度增大,并在此过程中产生一个新的超压波峰pobstacle。此外,Δp1和pobstacle峰值的时间间隔随着泄爆阈值的增大而减小,两个超压波峰易合并成一个更大的超压波峰。

爆炸冲击荷载作用下高压输电塔等边角钢构件抗爆性能试验研究

等边角钢构件因其具有受力合理、承载力高、易于安装、运输方便等优势,在高压输电塔结构中作为主要构件得到了广泛应用,研究爆炸冲击荷载作用下等边角钢构件的抗爆性能具有重要的理论意义及工程实用价值。通过静爆试验研究等边角钢构件在爆炸冲击荷载下所受到的超压荷载分布、试件损坏情况和抗爆性能。通过试验得到了角钢构件迎爆面顶部、中部、底部的超压时程曲线以及构件中部的变形形式,进一步了解爆炸冲击波的传播方式及等边角钢构件在爆炸冲击荷载作用下的受力特点。随着构件宽厚比的增大,各测点的超压峰值均呈现出上升的趋势,构件中部的残余变形迅速增大;超压峰值呈现出在起爆点与构件等高处向构件两端递减的趋势;临近场爆炸时,构件呈现出局部屈曲的破坏形态。

氢气泄爆作用下结构动力响应特性研究

氢能因具有环保高效等优点,被公认为21世纪最具发展前景的清洁能源,缺点是在使用过程中极易发生爆炸事故。泄爆作为爆炸防护的重要手段,可以有效提高结构在爆炸过程中的安全性和可靠性。为获得结构在氢气泄爆作用下的动力响应特性,本文从实验和数值模拟两个方面展开研究。在12 m×2.5 m×2.5 m的大尺度ISO标准容器中开展了一系列氢气泄爆实验,主要考虑氢气体积分数、点火位置、障碍物布置等参数的影响,并对结构内部超压荷载特征和动力响应演化规律进行了分析。结果表明,结构位移由首个超压峰值主导,并在该阶段与方舱内超压趋势保持一致,且两者峰值之间保持线性关系;加速度则由不稳定燃烧引起的超压高频振荡主导。在实验范围内,位移峰值受氢气体积分数影响显著,且随着氢气体积分数增大而增大。加速度峰值则还受到点火位置的影响,中心点火的情景要大于后端点火的情景。障碍物数量对结构动力响应的影响并非单调关系。此外,基于现场环境振动测试结果,建立了该结构的基准有限元模型。数值模拟及实验结果吻合良好,因此该基准有限元模型可进一步用于不同工况下氢气泄爆荷载作用下结构动力响应的预测和分析。

城市中爆炸波的传播

本文利用LS-DYNA软件,采用ALE(Arbi-trary Lagrange-Euler)方法,对城市复杂环境中爆炸波的传播规律与超压荷载进行了数值计算和分析。通过对两建筑物模型的数值模拟,以及其与单建筑物模型的对比分析,论证了在计算爆炸波超压荷载时考虑相邻建筑物的重要性;通过对一个典型的T型街道的数值模拟,以及其与简单环境的对比分析,揭示了爆炸波在城市复杂环境中的传播规律,并揭示了爆炸波的超压荷载在城市复杂环境中的变化规律和分布特征。

火灾条件下开敞空间LPG储罐的BLEVE试验

为研究火灾条件下开敞空间液化石油气(liquefied petroleum gas, LPG)储罐沸腾液体膨胀蒸汽爆炸(boiling liquid expansion vapor explosion,BLEVE)的荷载特征及爆炸波传播规律,研制了带滤波片的储罐爆炸试验装置,开展了小尺寸LPG储罐BLEVE试验,分析了LPG储罐的BLEVE过程及超压荷载特征,讨论了滤波片、LPG质量、储罐形状等因素对爆炸超压的影响,总结了已有BLEVE超压荷载的简化计算模型,对比试验数据与简化模型预测结果,给出了简化计算模型的适用范围。研究结果表明:次生蒸气云爆炸对开敞空间BLEVE超压荷载影响有限;BLEVE超压荷载峰值随爆源中心距离的增加而减小,随储存介质质量的增大而增大;在BLEVE超压荷载简化计算模型中,使用Brode模型计算爆炸能量最为保守,Planas模型仅能较准确地预测大尺度试验的结果,Birk模型则能较准确地预测大、中、小尺度试验的结果,但其结果略低于实验结果;规范建议的超压荷载计算方法中,Baker-Tang爆炸曲线法预测效果优于TNT当量法。