室内爆炸超压荷载简化模型

美国UFC规范计算室内爆炸荷载时假设爆炸荷载在整个空间均匀分布,但由于壁面的限制作用,真实室内爆炸的压力场并不均匀。该文利用非线性显式动力分析程序AUTODYN的Remap技术对室内爆炸进行模拟,研究了壁面爆炸荷载的分布规律;依据壁面爆炸超压时程曲线特点及其峰值超压分布,对爆炸荷载作用区域进行划分,并提出了各区域爆炸荷载典型参数—峰值超压、冲击波作用时间、准静态峰值气体压力及吹降时间的计算式,建立了室内爆炸荷载简化模型,并进一步研究了爆源高度和房间尺寸对荷载简化模型的影响。结果表明:室内爆炸下壁面不同区域爆炸荷载的分布形式及计算方法不同,拟合得到了各区域爆炸荷载的简化计算式;爆源高度及房间尺寸对峰值超压影响较大,对冲击波冲量影响较小。     

综合管廊燃气仓内爆炸下冲击波衰减规律研究

为了得到综合管廊燃气仓在内爆炸作用下冲击波的衰减规律,通过LS-DYNA有限元软件,建立了典型三仓室综合管廊模型,模拟了燃气仓在不同爆炸荷载下的内爆炸情况。获得了管廊的破坏模式、燃气仓内空气中心线各点的超压时程曲线以及超压峰值曲线。结果表明:炸药量对燃气仓影响较大,对电力仓影响不大;在燃气仓内,随着炸药药量的增大,各点在同一爆炸荷载下的超压曲线线型与超压峰值差距越大;在不同爆炸荷载下,各点冲击波超压峰值的最大值在距离爆炸中心2~5 m之间,在距离爆炸中心10 m处,冲击波超压峰值衰减至1 MPa以下;各点冲击波超压峰值曲线随着与爆炸中心距离的增大表现出先增大后减小的趋势,其中当炸药药量为10 kg时,燃气仓内各点冲击波超压峰值曲线出现了波动,这与管廊内部墙板裂缝的出现有关。     

核爆冲击波作用下高层建筑倾覆机理分析

我国高层建筑下部大多建造附建人防地下室,上部结构与人防地下室的连接比较牢固。核爆冲击波作用下,高层建筑可能会发生很大的变形、破坏甚至倒塌。在此过程中,可能会对附建于其下的人防地下室产生较大的倾覆作用,进而导致地下室发生较大的倾覆反应并丧失其防护功能。该文研究的重点是高层建筑附建人防地下室的倾覆问题。该问题涉及结构-基础-土的相互作用,需考虑材料非线性、接触非线性、材料性能的应变率相关性及土体体积压缩硬化等特征。介绍作者近年来在这方面的一些研究成果,主要有:利用动力有限元软件LS-DYNA分析了核爆冲击波作用下混凝土空心砌块墙的动力响应,利用大型通用有限元软件MSC.MARC和基于MARC平台开发的钢筋混凝土杆系纤维模型、土的修正D-P模型和桩土相互作用弹簧模型子程序,建立上部结构-地下室-土(桩)系统整体计算模型,对核爆冲击波作用下高层建筑附建人防地下室的倾覆进行了数值计算。算例计算结果表明:核爆冲击波作用下,天然地基高层剪力墙结构附建人防地下室的最大转角可能大于3°―5°,甚至完全倾覆,进而丧失其战时防护功能;桩基础可显著降低高层剪力墙结构附建人防地下室的倾覆反应,可作为高层建筑附建人防地下室抗倾覆的措施。在满足正常设计要求基础上,桩长、桩距和桩径在一定范围内的变化对地下室的倾覆反应影响不大,可以忽略。     

爆炸荷载作用下覆土库外部冲击波传播规律

为了研究爆炸荷载作用下覆土库外部冲击波的传播规律,采用有限元软件ANSYS/LS-DYNA,结合将覆土库结构破坏与冲击波传播先后模拟的新手段,对覆土库外部距爆心比例距离小于15 m/kg~(1/3)范围内空气冲击波的传播过程进行模拟,并对模拟所得不同测线方向(0°、60°、90°、135°和180°)冲击波峰值超压和冲击波到达时间进行分析。结果表明:测点距爆心比例距离在1～15 m/kg~(1/3)范围内,随比例距离的增大,在60°和90°测线方向,冲击波峰值超压衰减率从87.63%降到26.39%;在135°和180°测线方向,冲击波峰值超压衰减率从81.19%降到1.39%。随着测点距爆心比例距离的增大,冲击波峰值超压呈指数型衰减,冲击波到达时间呈线性增加。     

爆炸荷载作用下覆土库外部冲击波传播规律

为了研究爆炸荷载作用下覆土库外部冲击波的传播规律,采用有限元软件ANSYS/LS-DYNA,结合将覆土库结构破坏与冲击波传播先后模拟的新手段,对覆土库外部距爆心比例距离小于15 m/kg^(1/3)范围内空气冲击波的传播过程进行模拟,并对模拟所得不同测线方向(0°、60°、90°、135°和180°)冲击波峰值超压和冲击波到达时间进行分析。结果表明:测点距爆心比例距离在1～15 m/kg(1/3)范围内空气冲击波的传播过程进行模拟,并对模拟所得不同测线方向(0°、60°、90°、135°和180°)冲击波峰值超压和冲击波到达时间进行分析。结果表明:测点距爆心比例距离在1～15 m/kg^(1/3)范围内,随比例距离的增大,在60°和90°测线方向,冲击波峰值超压衰减率从87.63%降到26.39%;在135°和180°测线方向,冲击波峰值超压衰减率从81.19%降到1.39%。随着测点距爆心比例距离的增大,冲击波峰值超压呈指数型衰减,冲击波到达时间呈线性增加。     

土工防爆墙倾覆稳定性分析

基于文献试验,建立了土工防爆墙倾覆稳定计算方法。假设墙体在水平均布冲击波荷载作用下绕墙趾产生刚体转动,分别得到了指数衰减荷载和瞬时冲量荷载作用下墙体转动线性微分方程的解析解和倾覆稳定系数计算公式,并采用Rung-Kutta法求解墙体转动非线性微分方程和倾覆稳定系数的数值解。对于文献中的两种土工防爆墙,解析解、数值解与试验结果比较表明:理论计算与试验结果吻合较好;可忽略冲击波加载时程和墙体转动微分方程非线性对倾覆稳定系数的影响,按瞬时冲量荷载下的解析解计算倾覆稳定系数,并取容许倾覆稳定系数为1.1。     

封闭空间内爆炸冲击波超压计算模型及分布特性研究

建立了封闭空间内爆炸的冲击波超压计算模型,将冲击波在不同壁面的反射冲击波等效为不同位置镜像爆源产生的入射冲击波,密闭空间内冲击波传播和作用过程等效为爆源与镜像爆源形成冲击波相互叠加的过程,基于LAMB规则,将所有爆源和镜像爆源的冲击波叠加,从而得到封闭空间内任意位置处的超压,并进行了结构内爆炸试验。研究结果表明,装药在封闭空间内爆炸超压呈现多峰性,典型位置处的计算超压时程曲线与试验超压时程曲线符合较好,峰值超压的计算误差小于10.78%,所建模型正确,能够用于内爆炸载荷的快速计算。     

室内爆炸与火灾联合作用下约束钢柱损伤评估

结构体系提供的约束刚度和附加质量会显著影响钢柱在爆炸下的动力响应,同时火灾下结构对热膨胀的约束会导致钢柱内产生附加轴力,受力特性与无约束柱明显不同。采用引入损伤的Johnson-Cock强度模型分析了约束钢柱在室内爆炸荷载作用下的损伤情况,建立了评估约束钢柱在爆炸与火灾联合作用下破坏情况的压力-冲量-时间曲面图及表达式。为了说明结构约束的影响,将计算结果与无约束钢柱在爆炸与火灾联合作用下的破坏时间进行对比,并进一步分析了超压时程曲线形状、约束刚度及钢柱几何尺寸对P-I-t曲面图的影响。结果表明,当爆炸荷载强度较小时,约束钢柱的破坏时间早于无约束钢柱,当爆炸荷载强度较大时,约束钢柱的破坏时间晚于无约束钢柱;超压时程曲线形状参数越大,约束钢柱在爆炸作用下越易破坏;约束刚度对钢柱在爆炸与火灾联合作用下的破坏时间基本无影响;当爆炸损伤较小时,钢柱壁厚对破坏时间影响很小,当爆炸损伤较大时,钢柱壁厚度越大,钢柱越易破坏,但在压力-冲量-时间空间中,仍为壁厚越小、柱高越高的钢柱越易破坏。     

马场坪收费站汽车爆炸破坏的数值模拟分析

应用LS-DYNA有限元程序建立马场坪收费站在汽车爆炸作用下的数值计算模型,对空间网架结构在爆炸作用下的冲击波超压、破坏过程和破坏模式进行了数值模拟计算。提取网架结构内表面有限测点的爆炸冲击波超压并将其进行本征正交分解（POD）,得到冲击波压力场的显性表达和主本征模态。对模拟计算结果与收费站实际破坏情况进行比较分析,揭示了空间网架结构的爆炸破坏机理和原因。数值结果表明,LS-DYNA非线性有限元模型与POD法的结合,能够准确地模拟空间网架结构在爆炸作用下的破坏过程和模式,充分泄爆可以防止空间网架结构在爆炸作用下的破坏倒塌,避免人员损伤。提出在空间网架结构的抗爆和防爆设计中,应采取“强结构弱围护”的设计原则。     

近爆作用下钢筋混凝土π梁防护性能的数值模拟

为研究钢筋混凝土π截面梁在近场爆炸荷载作用下的防护方法,采用ANSYS/LS-DYNA建立π梁爆炸数值模型,结合现场爆炸试验结果,对π梁在爆炸荷载作用下的破坏形态进行对比分析,验证数值模型的准确性.通过π梁在近爆荷载下采用不同防护层进行模拟分析,对π梁在不同防护工况下冲击波超压峰值分布规律、结构耗能规律、防护后π梁的破...     

砖墙抗爆炸冲击震动效应模型试验研究

为研究砖墙在爆炸冲击震动作用下的破坏模式及阈值,据工程内砖墙实际情况建立简化的底部固定、周边无约束砖墙模型,在模拟爆炸震动冲击试验台上进行三方向单独作用的冲击试验,研究砖墙模型的动态响应及破坏时加速度峰值、作用时间。结果表明,遭水平向冲击时模型均表现为水平通缝破坏。破坏主要由受拉而非剪切所致。通过对试验结果分析,获得三个冲击方向独立作用下的破坏阈值。     

化爆冲击波作用下建筑物内压缩波参数计算

根据空气动力学原理,分析了外部化爆条件下冲击波阵面后压缩气体经外墙孔口的流动过程,提出了室内平均压力的计算方法;针对砖墙填充的钢筋混凝土框架结构房屋,研究室内外压力作用下墙体的破坏和碎块飞散过程,得到了室内压缩波参数的确定方法,并运用已有试验数据对该方法的有效性进行了验证;通过算例分析了冲击波超压、孔口面积及墙体厚度对室内压缩波升压时间的影响,结论如下:前墙开孔房屋室内升压时间随孔口面积的增大而减小,外墙破坏时,封闭房屋室内升压时间随着墙壁厚度的减小和室外超压的增大而逐渐减小。     

ECC面层加固受损砖砌体墙抗震性能试验研究

高延性纤维增强水泥基复合材料(ECC)具有高强度、高延性和受拉应变硬化等特性,在加固工程中具有广泛的应用前景。该文对4片采用ECC面层加固的受损砖墙进行了低周反复荷载试验,并与相关文献中4个试件进行比较,研究了ECC面层加固砖砌体墙的破坏机理、破坏形态、滞回特性和变形能力。结果表明:1) 采用ECC面层加固受损砖砌体墙,可显著提高砖墙的变形能力,改善加固后墙体的抗震性能;2) ECC面层对内部砖墙形成良好的约束作用,可显著改善砖墙的脆性破坏模式,是一种有效的砌体结构加固方法;3) 改善ECC面层与构造柱之间的粘结性能,保证ECC面层有效传递剪力,对提高加固后墙体的整体性能具有重要作用。该文的研究结果为砌体结构抗震加固提出了一种新方法,具有良好的推广和应用前景。     

无构造柱退层自建民居抗震加固试验研究

针对无构造柱退层砖砌体自建民居的破坏形式,设计了综合加固方案,即第一层退层处采用预应力钢筋、顶层粘贴碳纤维布进行加固。通过对加固后民居1/4模型的模拟振动台试验表明：（1）民居加固后能够承受加速度峰值为0.5g的地震作用,抗震性能较加固前有明显提升;（2）民居加固后的破坏形式为墙体开裂破坏、窗间墙破坏、墙角局部破坏等;第二层纵墙退层处开裂破坏严重,为整个结构的薄弱部位。此外,砌体结构的有限元模拟可采用整体连续模型。计算中砌体采用相同抗压强度的混凝土进行等效,通过调整混凝土的塑性应力-应变关系和损伤因子来实现材料的非线性,从而实现模型的非线性分析;加固采用的预应力可用分布压力简化加载,碳纤维布作用可采用壳单元模拟。通过与试验结果的对比,说明这种模拟方法是可行的。本文的研究成果,可用于我国村镇同类结构形式民居的加固与改造。     

接触爆炸下黏土砖砌体墙的抗爆性能

为了研究接触爆炸下黏土砖砌体墙的抗爆性能，采用LS-DYNA有限元软件，以传统单面黏土砖砌体墙为例，建立了黏土砖砌体墙三维分离式细观模型，分析了不同强度接触爆炸载荷下墙体的毁伤和破坏特征。使用两种不同质量的TNT炸药对普通黏土砖墙体在单方向支撑条件下进行了对应的接触爆炸试验验证，并研究其工作机理及响应特性。分析结果表明，随着爆炸载荷的逐渐增加，接触爆炸对墙体的破坏形式主要由中央爆坑以及水平、竖直方向的十字形裂纹的形成，转化为灰缝的层裂、崩落、贯穿以及墙体的错位和倒塌。     

Coupling effect between masonry spandrels and piers

In-plane performance of masonry load-bearing walls was tested in a quasi-static fashion by loading individual brickwork perforated walls with constant normal force and increasing lateral force. Fifteen full-scale unreinforced frames were constructed by professional bricklayers, from ordinary bricks and lime-mortar according to ancient techniques, so as to be representative of historic masonry. Each wall was subjected to two monotonic loadings (with unloading), up to the full drop-off in the stiffness and complete development of the kinematic mechanism. The specimens exhibited significant overstrength with respect to the strength provided by the masses and high deformation capacity, which are not adequately represented by code provisions for analysis of ancient masonry buildings. The overstrength is here described by several key parameters, namely: (1) Level of coupling piers by spandrels, (2) virtual work done by interlocking and friction forces, (3) and maximum tensile stress in the top spandrel and nodal panels. The paper attempts also to calibrate the behavior factors (q) for masonry frames that are not overly conservative, as code-prescribed q-factors are. Thus, another key issue in the paper is to derive q-factors directly on the basis of the measured values to reproduce the overstrength, allowing for the normal force in the piers and the masonry texture of the wall.     

高延性混凝土加固无筋砖墙抗震性能试验研究与承载力分析

为研究高延性混凝土(HDC)加固无筋砖墙的抗震性能,设计制作了3片HDC面层加固砖墙、1片钢筋网水泥砂浆面层加固砖墙和1片作为对比试件的未加固砖墙,通过拟静力试验,研究了HDC面层加固砖墙的破坏形态、滞回性能及耗能能力。试验结果表明:HDC面层可对墙体形成约束作用,延缓墙体开裂并改变墙体的破坏模式,提高墙体的承载力和延性;与钢筋网水泥砂浆面层加固相比,单面HDC加固的墙体开裂荷载与耗能能力明显提高,承载力下降缓慢。针对试件的破坏形态,考虑未开裂区加固面层对墙体水平承载力的贡献,提出了加固墙体的承载力计算方法,并根据试验结果进行了验证。     

Model validation and parametric study on the blast response of unreinforced brick masonry walls

Numerical simulations are carried out to estimate the response and damage of unreinforced brick masonry walls subjected to explosive blast loading based on the transient dynamic finite element program LS-DYNA. A previously developed dynamic plastic damage model was used for brick and mortar. A new model for strain rate effects of bricks and mortar is included in the numerical analysis. The results obtained from the numerical models are compared with field test data and good agreement can be found. Parametric studies are conducted to evaluate the effect of material strength, boundary conditions, and thickness of the wall on the blast response of unreinforced brick masonry walls. It was found that boundary conditions and wall thickness significantly affect the blast response, while the effect of material strength is relatively small.     

基于OMA隧道爆破振动下砌体结构的安全评价

以成渝客运专线新红岩隧道上方二层砌体结构为例,采用OMA(运行模态分析)方法研究了砌体结构在隧道爆破引起的地面振动作用下的安全性。结果表明:采用电子雷管爆破相比非电雷管能够有效降低地面振速,峰值振速最多降低约67%;二层砌体结构前4阶固有频率位于9~25Hz,有限元模型修正后其固有频率与实验值的误差明显减小,使其更加符合实际;非线性动力分析表明砌体结构门、窗的角部、砌体与混凝土材料的交界处及底层主应力集中程度高,但砌体的主压应力和主拉应力均小于规范值,表明砌体在爆破振动作用下是安全的,而且电子雷管更适用于结构安全性要求高的隧道爆破;现场调研发现砌体楼房在隧道爆破振动下没有发生损伤,表明基于OMA方法进行隧道爆破振动下砌体结构的安全评价是可行的。     

基于OMA隧道爆破振动下砌体结构的安全评价

以成渝客运专线新红岩隧道上方二层砌体结构为例,采用OMA(运行模态分析)方法研究了砌体结构在隧道爆破引起的地面振动作用下的安全性。结果表明:采用电子雷管爆破相比非电雷管能够有效降低地面振速,峰值振速最多降低约67%;二层砌体结构前4阶固有频率位于9²5Hz,有限元模型修正后其固有频率与实验值的误差明显减小,使其更加符合实际;非线性动力分析表明砌体结构门、窗的角部、砌体与混凝土材料的交界处及底层主应力集中程度高,但砌体的主压应力和主拉应力均小于规范值,表明砌体在爆破振动作用下是安全的,而且电子雷管更适用于结构安全性要求高的隧道爆破;现场调研发现砌体楼房在隧道爆破振动下没有发生损伤,表明基于OMA方法进行隧道爆破振动下砌体结构的安全评价是可行的。