地下拱形结构侧顶爆炸的破坏模式及影响因素

钢筋混凝土拱形结构作为地下防护工程的主要形式,其在近区爆炸荷载作用下的动态响应和破坏模式对防护工程设计具有重要的指导意义.为探讨地下拱形结构在45°侧顶爆炸作用下的破坏模式及影响因素,对侧顶爆炸作用下的钢筋混凝土直墙圆拱形结构开展试验和数值模拟研究.试验加载方式,在地下围岩梯恩梯装药距离拱形结构0.5 m处进行方式;基于有限元分析软件LS-DYNA,采用流体与固体耦合算法,建立围岩、混凝土和钢筋三维分离式实体模型,对钢筋混凝土拱形结构的动态响应过程进行数值模拟,模拟得到的拱形结构破坏现象与试验结果吻合较好.分析了不同装药量下结构的破坏模式以及不同混凝土强度、拱形结构截面厚度和结构跨度对拱动态响应的影响.结果表明:随着装药量增加,结构的破坏模式由层裂破坏、弯曲破坏逐渐过渡到剪切破坏和整体破坏;提高混凝土强度和拱截面厚度能显著改善其抗爆性能,跨度的增加会使结构背爆面损伤程度降低.     

爆炸荷载作用下钢筋混凝土梁毁伤判据研究

为研究钢筋混凝土梁在爆炸波作用下的毁伤判据,对两种尺寸的钢筋混凝土梁在缩比条件下进行了不同爆炸距离作用和装药量下的试验研究。试验中以高层和框架结构中最常见的两种 梁为研究对象,通过11次独立的爆炸试验,观测了钢筋混凝土梁在不同装药量下的破坏模式和破坏特征。研究结果表明：钢筋混凝土梁在近区爆炸荷载作用下,在同一爆高下,随着装药量的增加,梁的破坏程度逐渐增加,破坏模式由迎爆面中心两侧少量混凝土脱落和背爆面少量断裂裂纹逐渐增加为迎爆面倒三角锥形式混凝土压碎弯曲破坏,背爆面出现三角锥裂纹和背爆面少量混凝土脱落破坏,最终迎爆面和背爆面三角锥破坏区域贯通形成中心区域压碎崩塌弯曲破坏;崩塌区域的尺寸随着装药量增加而逐渐增加。近区爆炸（以爆距0.5 m为例）作用下,试验钢筋混凝土梁的毁伤判据为：当比例爆高Z>0.4 m/kg^1/3 时,梁遭受到轻微破坏;当比例爆高0.3 m/kg^1/31/3 时,梁遭受到中等破坏;当比例爆高0.28 m/kg^1/31/3时,混凝土梁遭受重度破坏;当比例爆高Z<0.28 m/kg^1/3,梁遭受严重破坏。在近区爆炸作用下,钢筋混凝土梁的破坏不仅依赖于爆炸比例距离,还与爆高有关,同一比例距离下爆高越大,梁试件的破坏越严重。研究结果可为工程应用及毁伤评估提供参考。     

不同爆炸距离下单向支撑方形钢筋混凝土板破坏模式数值模拟研究

为研究方形钢筋混凝土板在爆炸波作用下的破坏模式和抗爆性能,在不同爆炸距离作用和装药量下对典型单向支撑方形钢筋混凝土板进行了数值模拟分析。用AUTODYN软件和流固耦合算法建立混凝土和钢筋三维分离式实体模型,对实验过程进行数值模拟分析,并考虑应变率对钢筋和混凝土材料的动态本构特性的影响。在此基础上,分析了不同装药量下对钢筋混凝土板的损伤和破坏特征。计算结果揭示了钢筋混凝土板从混凝土开裂、底部层裂碎片形成、钢筋屈服到混凝土板局部震塌的动态演变过程。研究结果表明,在近爆非均布爆炸荷载作用下钢筋混凝土板易发生局部冲切破坏,在远距离均匀爆炸冲击波作用下易发生整体弯曲破坏和支座剪切破坏。     

POZD涂覆波纹钢加固钢筋混凝土板抗爆性能

为研究聚异氰氨酸酯噁唑烷聚合物高分子材料(POZD)涂覆波纹钢加固钢筋混凝土板的抗爆性能,对波纹钢加固钢筋混凝土板和POZD涂覆波纹钢加固钢筋混凝土板展开接触爆炸试验,并对其破坏特征进行对比分析。采用LS-DYNA软件进行有限元模拟,研究POZD涂覆波纹钢加固钢筋混凝土板的破坏模式和破坏特征,分析装药量局部毁伤效应的影响,并从应力波传播的角度揭示POZD涂覆波纹钢加固钢筋混凝土板的破坏机理。试验和数值结果表明：在接触爆炸作用下,POZD涂覆波纹钢加固钢筋混凝土板呈现4种破坏模式(结构迎爆面开坑;结构迎爆面开坑,背爆面混凝土层裂和POZD涂覆波纹钢鼓包变形;混凝土板贯穿破坏,POZD涂覆波纹钢严重鼓包变形;整个结构被贯穿破坏穿破坏);在波纹钢加固钢筋混凝土板背爆面涂覆POZD涂层能有效加强结构的抗爆性能。研究成果可为实际工程应用和防护工程提供参考依据。     

爆炸荷载作用下地下结构破坏模式研究

爆炸荷载作用下地下结构动力响应一直是一个研究的热点问题,但是对于爆炸荷载作用下地下拱形结构破坏模式研究比较少,由于地下工程设计和爆炸荷载作用的双重特殊性,实验研究实现的难度较大,文中利用ANSYS/LS-DYNA数值模拟通用程序,采用流固耦合算法对不同跨度的地下拱形结构进行了不同装药量和起爆位置的数值模拟,对地下结构与围岩的动力相互作用机理进行了研究,得到了不同装药、不同起爆位置时各种跨度地下拱形结构的破坏模式。     

内部爆炸作用下混凝土加固钢筒结构变形破坏规律研究

采用混凝土加固钢筒的组合结构是提高防护结构抗内部爆炸毁伤能力的有效技术途径之一。用显式动力分析软件LS-DYNA对小比例距离内部爆炸作用下混凝土加固钢筒结构变形过程进行了数值模拟。用Johnson-Cook模型模拟钢筒的动态变形,用Winfrith模型模拟混凝土的非线性破坏过程。将钢筒变形和混凝土破坏情况与实验结果进行了对比。结果表明:加固混凝土块的裂纹分布与实验较为一致,钢筒环向应变与实验吻合较好;在相同的装药量下,采用加固混凝土加固钢筒结构,可明显提高结构的抗爆能力;当装药量小于425 g时,虽然混凝土内部存在微裂纹,但还是安全的;随着药量的进一步增加,轴向和径向裂纹将逐渐发展直至贯通,结构破坏的风险增大。     

空爆载荷下双层梯形波纹夹层板抗爆性能分析

轻质金属夹层结构具有高比刚度和优良的能量吸收能力,其在舰船结构上有着潜在的应用前景。运用有限元软件Autodyn研究了空中近场爆炸载荷作用下固支双层梯形波纹夹层板的抗爆性能,分析了爆距和结构几何参数对变形/失效模式的影响。数值结果表明,双层梯形波纹夹层板面板的变形模式以局部大变形为主,部分有撕裂,芯层中心区域以塑性失稳为主,边界区域未出现失稳现象。随着爆距的增加,背面板塑性变形逐渐减小。若以下面板中心点的塑性变形值作为衡量抗爆性能的标准,则夹层板增加单位重量时影响其抗爆性能的结构几何参数的主次顺序为:上面板厚度、下面板厚度和芯层壁板厚度。     

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。     

爆炸冲击载荷作用下靶板动态响应研究

应用量纲分析方法分析爆炸冲击载荷下影响靶板动态响应的相关独立变量,分析了炸距和装药量对变形扰度值的影响。利用有限元软件LS-DYNA进行数值仿真,模拟靶板在冲击波载荷下的动力学响应,模拟结果与实验结果基本吻合。控制单一变量,分别得到炸距和装药量对靶板变形量的影响规律。研究结果表明,在一定范围内,靶板变形扰度随炸距的增加呈现类似指数形式的快速减小,随装药量的增加而线性增大。     

炸弹邻近爆炸对浅埋结构人防工程的毁伤效应

为研究炸弹邻近爆炸对人防工程结构的破坏效应,对半埋和全埋式浅埋结构人防工程进行不同爆炸距离作用和装药量下的模型结构抗爆试验研究。在1/3大缩比条件下,通过11批次爆炸试验分析人防工程结构的动力响应和破坏特征。结果表明：爆炸产生的空气冲击波作用到外墙上产生的超压大小与墙板刚度有关,外墙结构设计荷载应取墙面受力最大位置的荷载;炸弹在半埋地下室外墙邻近处触地爆炸与全埋地下室外墙邻近处钻地爆炸对工程结构的毁伤效应,不仅与作用到墙面的超压有关,而且与爆炸作用持续时间和周边介质情况以及介质中构筑物的情况密切相关。     

不同炸高爆炸条件地下工程内冲击波传播规律的工程算法

为了获取不同工况下工程内部冲击波的传播规律，采用可拼装式钢结构单元组成地下工程模型进行了48次不同炸高的模拟爆炸试验，在模型结构内部侧壁安装压阻式压力传感器测量冲击波波形，由实测数据拟合了深钻地爆炸条件下地下工程内冲击波正压冲量和正压作用时间的工程算法模型。结果表明，冲击波特征参量的取值主要与覆盖层配筋率、装药的比例炸高与比例爆距、结构横截面比例直径有关；模型相关系数大于0.8，平均误差小于20%，能为地下工程抗爆炸毁伤分析与设计提供荷载依据。     

钢筋混凝土端面重墙结构的抗爆性能规律

为研究钢筋混凝土端面重墙结构在爆炸冲击波下的抗爆性能,依据最大TNT当量为300 kg的现场试验,对D1、D2、D3 3种不同构型端面重墙的损伤破坏规律进行数值模拟研究。基于LS-DYNA有限元分析软件,建立流体和固体耦合数值模型,计算得到3种重墙房屋结构在爆炸冲击波作用下的破坏形态,并利用试验结果校正模型参数。进一步利用ConWep算法进行爆炸载荷加载,通过控制药量和爆距,得到不同超压和冲量载荷下重墙结构的破坏特征。以重墙的残余倾覆角作为划分依据,将计算结果分为3种破坏等级,拟合得到的超压-冲量曲线和药量-距离曲线可用于燃烧爆炸品厂房安全距离和仓库容量设计以及意外爆炸下的破坏程度评估。对比3种相似结构不同尺寸重墙的超压-冲量曲线,发现小尺寸D2构型的抗爆性能最差;当爆炸载荷超压较小时,大尺寸D3构型与D1构型抗爆性能相似;当超压较大时,D3构型的破坏形式发生变化,超压-冲量曲线发生右倾现象。     

钢筋混凝土楼板在爆炸荷载作用下破坏模式和抗爆性能分析

利用LS-DYNA软件对钢筋混凝土楼板在爆炸荷载作用下的毁伤破坏进行数值模拟研究,得到了钢筋混凝土楼板在不同当量的装药、爆距作用下发生不同的3种破坏模式。在此基础上分析不同钢筋混凝土抗压强度、比例距离及爆点相对于楼板的方位角、俯仰角与楼板毁伤破坏程度之间的关系。研究结果表明:当峰值压力较大,作用时间较短时楼板主要发生剪切崩塌破坏;而在峰值压力较小,作用时间较长时,钢筋混凝土板主要发生中部弯曲破坏;随着混凝土抗压强度和比例距离的增加,楼板的破坏程度逐渐减小;随着爆点俯仰角的增加,楼板的破坏程度逐渐增大,不同的爆炸方位角对钢筋混凝土楼板的毁伤破坏影响较小。研究结果可为工程应用及毁伤评估提供参考。     

重复爆炸载荷作用下薄壁方管动力响应研究

薄壁方管作为一种典型工程构件,在建筑、海洋、航天等领域应用广泛,其结构面临遭受重复爆炸的风险,开展薄壁方管在重复爆炸载荷作用下的动力响应研究具有重要现实意义。采用实验与数值模拟相结合的方法,对比分析了薄壁方管在单次和重复爆炸载荷作用下的动力响应。将壁厚4 mm、横截面边长100 mm的薄壁方管置于爆炸场中进行冲击实验,并利用非线性动力有限元程序LS-DYNA完全重启动功能及流体与固体耦合算法,对薄壁方管在单次爆炸和重复爆炸载荷下的非线性动力响应过程进行三维数值模拟;描述了方管在不同爆炸次数下的动力响应及损伤变形,给出了一种通过损伤因子反映爆炸载荷作用后材料损伤劣化的数值计算方法。研究结果表明：方管在重复爆炸作用下的变形会产生损伤积累;相同爆炸载荷作用下已变形损伤的方管相对无损方管其有效应变增量更大,在迎爆点周围区域、侧边以及塑性铰位置,前者有效应变增量达到了后者的2.47～3.88倍,容易引起方管更严重的毁伤;两侧边是方管较脆弱的区域,极易因应力集中产生较大的塑性应变,需要特别加强防护。     

薄钢板在CL-20基含铝炸药内爆载荷作用下的变形响应和工程预测

针对圆形钢板在内爆炸载荷作用下的变形响应问题,利用爆炸容器罐进行了一系列以六硝基六氮杂异伍兹烷 (CL-20)基含铝炸药为主的内爆炸试验。以圆形钢板作为容器罐装填口的密封结构来承受装药爆炸冲击载荷,开展了100 g、200 g两种装药量下10%、20%、30%3种不同铝含量的CL-20基含铝炸药内爆炸冲击加载密封钢板的测试试验;建立了密封钢板最大残余变形挠度的工程预测模型。结果表明：铝粉在后燃烧阶段释放的能量对冲击钢板变形能起到一定作用,密封钢板的最大残余变形量取决于炸药内爆炸初始冲击波的有效冲量（正相位冲量）;对于200 g装药量,随着铝含量由10%升至30%,初始冲击波有效冲量依次降低6.9%和7.8%,钢板的变形和失效程度减小,最大残余变形挠度依次减小5.3%和7.5%.     

不同强度混凝土及钢筋对钢筋混凝土柱抗爆性能的影响

以钢筋混凝土（RC）柱在爆炸载荷作用下的毁伤和防护为背景,研究新型材料超高性能混凝土（UHPC）、高强混凝土（HSC）和高强钢筋（HSS）对RC柱在近距离爆炸载荷作用下的动态响应。利用有限元显式动力分析软件LS-DYNA建立RC柱三维有限元模型,该模型运用光滑粒子流体动力学方法考虑了压缩碎裂和震塌局部效应。通过实验验证数值仿真算法、材料模型和参数的正确性,详细研究了UHPC、HSC和HSS对RC柱抗爆性能的影响。结果表明：相同比例距离0.8 m/kg^1/3 下,与低强度混凝土柱（抗压强度30 MPa）和HSC柱（抗压强度80 MPa）相比,抗压强度140 MPa UHPC柱承受的最大梯恩梯药量提高10倍;HSS与UHPC组合增加了柱的脆性,RC柱更易发生剪切破坏。     

地下结构震动响应数值方法研究

随着计算机技术的飞速发展，数值计算已经成为模拟在各种介质中的爆炸过程及其近场波动效应的重要研究手段。针对目前爆炸技术在工程的重要应用课题之一，即地下结构在爆炸载荷作用下的震动响应数值方法进行了较深入的研究，研究了适用于松动爆破的爆破震动的等效模型，该模型简单可行，基本反映了爆破震动过程的物理特征。利用该模型对爆炸载荷作用下地下结构的震动过程进行了模拟，分析爆破在介质中激发的瞬态扰动及其传播的特征，如频率特征、振幅变化规律等，通过与实验数据进行对比，解释了近场爆炸现象并为实验提供理论依据。通过场地模拟实验的数值模拟验证了方法的宥效性，为后续工作打下了良好的基础。     

复合防护液舱抗爆效能对比试验研究

液舱是舰船多层防护结构体系中的重要功能舱室,战斗部近距离爆炸时,高速破片和冲击波载荷将对防护液舱产生严重的毁伤效应。针对高速破片和冲击波作用下防护液舱的动态响应特性和毁伤模式,提出了复合防护液舱的结构形式。为了对比该液舱相对常规液舱的抗爆效能,开展了战斗部模型近距离爆炸载荷作用下复合液舱和常规结构形式液舱毁伤的模型试验,得到了战斗部模型破片速度、液舱结构的变形、应变、破口尺寸、舱壁压力等参量。通过对比发现,相对于传统液舱结构,复合防护液舱前面板、后面板最大变形分别减少22.78%和8.47%,结构应变降低30%,冲击波峰值减弱18.62%,该新型结构形式明显提高了液舱抗爆防御效果。