典型地铁车站柱在爆炸荷载作用下损伤评估方法研究

随着恐怖爆炸袭击威胁增加,地铁内部发生爆炸概率增大。地铁车站柱作为主要承载构件,当其遭受近距离爆炸荷载作用后,需要对其进行爆炸荷载作用下的损伤评估,评价其损伤等级进而进行整体结构安全性鉴定。利用有限元分析方法,建立"炸药-空气-混凝土柱"耦合分析模型,通过已有试验验证了模型适用性。提出了基于承载能力的地铁车站柱的损伤评估方法,将地铁车站柱损伤破坏分为不同损伤等级,对典型地铁车站柱在不同炸药作用下的损伤进行了评估。利用耦合计算模型和评估方法,可以实现对钢筋混凝土地铁车站柱在近距离内爆炸荷载作用下的损伤评价和抗爆设计。     

爆炸作用时钢筋混凝土柱损伤因素分析

为研究爆炸作用下钢筋混凝土柱的损伤破坏,通过有限元软件建立了钢筋混凝土柱数值计算模型,分析了5种损伤因素对柱损伤程度的影响.基于数值计算结果,以损伤指数为系统特征变量,以5种损伤因素为相关因素变量,进行了灰色关联分析.结果表明:提高箍筋配筋率和混凝土强度能够有效降低柱的损伤,纵筋配筋率对柱损伤影响相对较小;爆炸荷载下,...     

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...     

聚脲涂层防护下钢筋混凝土柱的抗爆性能研究

为研究聚脲涂层防护下钢筋混凝土柱的抗爆裂性能,采用LS-DYNA有限元程序,基于CONWEP加载方法建立了聚脲加固钢筋混凝土柱在爆炸荷载作用下的响应模型。对比了模拟结果和近场爆炸下的试验结果,验证了数值模型的合理性,研究了比例距离和聚脲厚度对钢筋混凝土柱的抗爆性能影响。结果表明：柱的跨中最大位移与比例距离成线性递减关系;聚脲弹性体能够改善钢筋混凝土柱的抗爆性能,柱的跨中最大位移随着聚脲厚度的增加呈现先减小后增大的“V”字型趋势,采用聚脲弹性体提升钢筋混凝土柱的抗爆性时具有一个最优厚度。     

爆炸荷载作用下FRP管-混凝土-钢管组合柱动态响应的数值模拟研究

针对FRP(纤维增强复合材料)管-混凝土-钢管组合柱的抗爆性能,采用非线性有限元软件ANSYS/LSDYNA进行数值模拟研究。分析了组合柱在爆炸荷载作用下的破坏形态、不同比例距离以及不同厚径比情况下的动态响应。结果表明:在爆炸荷载作用下,组合柱损伤程度明显降低;随着比例距离逐渐增大,FRP材料组合柱的中部水平位移峰值显著降低;随着厚径比增大,组合柱刚度逐渐增强,组合柱中部水平位移峰值也显著降低。因此,该类组合柱具有优越的抗爆性能。可为该类型组合柱的抗爆设计以及进一步研究提供参考。     

爆炸冲击作用下连续梁桥动力响应和影响因素研究

运用数值模拟的方法建立爆炸冲击作用下的钢筋混凝土连续梁桥模型,通过改变爆炸作用点位置、爆炸作用比例距离等因素,研究连续梁桥在爆炸冲击荷载作用下的动力响应和敏感性影响因素。结果表明:连续梁桥中跨跨中是其桥面抗爆性能最为薄弱的位置,在抗爆设防中应着重考虑;当装药量相同时,桥梁的破坏程度与比例距离成反比关系;连续箱型桥梁内部爆炸时,对桥梁造成的破坏最为严重,同等条件下下方爆炸时,桥梁破坏程度最小。本研究为桥梁抗爆设计及损伤评估提供理论依据。     

碰撞冲击荷载作用下钢筋混凝土柱的损伤评估及防护技术

以刚性球撞击钢筋混凝土柱为例,研究了碰撞冲击荷载作用下钢筋混凝土柱的损伤程度评估以及防护技术。在钢筋混凝土柱粘结滑移模型基础之上,提出了一种基于竖向剩余承载力的损伤评估准则,用来判定碰撞冲击荷载下钢筋混凝土柱损伤破坏程度;并定量分析了刚性球质量、初速度与结构柱损伤度的关系。针对复合截面防护的情形,对碰撞冲击荷载作用下钢筋混凝土柱防护前后的动态响应及损伤进行了分析,并对比了外粘钢板及外敷泡沫铝两种防护措施的防护效果。结果表明:刚性球质量及速度在较小范围内时,损伤度的增长速率高于质量及速度的增长速率,且以质量和速度同时增加时损伤度增长最快;当刚性球质量及速度达到一定数值后,损伤度的增长速率一般会低于刚性球质量及速度的增长速率。外粘钢板、外敷泡沫铝两种复合截面防护方法均能有效降低碰撞冲击下钢筋混凝土柱的动态响应及损伤程度,且均能使钢筋混凝土柱的整体破坏模式由弯剪破坏向弯曲破坏转变。     

复式空心钢管混凝土柱抗爆性能及损伤研究

通过爆炸试验,对复式空心钢管混凝土柱抗爆性能及损伤程度进行研究,并结合所得试验数据进行数值模拟,分析并建立柱的损伤评估准则。结果表明:在折合距离为0.14m/kg~(1/3)试验条件的爆炸荷载作用下,复式空心钢管混凝土柱迎爆面柱中发生了明显的塑性弯曲变形;柱迎爆面压力峰值柱中最高、柱底次之、柱顶最小,且爆炸冲击波对迎爆面柱中造成的破坏最为强烈、柱底次之、柱顶最小;柱端部节点强度与构件整体强度协调对提升复式空心钢管混凝土柱的抗爆性能尤为重要。最终建立了基于固端约束下复式空心钢管混凝土柱中挠度的超压-冲量(P-I)损伤准则及判定公式。     

水下爆炸冲击下码头结构动力响应的数值模拟

为探究水下爆炸冲击对码头结构的结构损伤,开展爆炸荷载下高桩码头结构的数值模拟分析。基于ALE多物质流固耦合法,建立了码头结构的水下爆炸Lagrange-Euler全耦合模型,基于Cole经验公式,验证了模拟的可靠性,研究了起爆距离、起爆深度以及TNT当量对码头结构动力响应特性的影响规律。结果表明,在水下爆炸冲击荷载作用下,所有桩柱产生不同程度损伤,码头端部的第一根桩柱底部基岩区域以及与横梁相连的基岩区域塑形损伤破坏较为严重;当TNT炸药的起爆距离较小时,桩柱上的反射波要强于水底面的反射波,并会与之相抵消,作用在桩柱上的反射稀疏波会随之削弱;在其他条件相同的情况下,当起爆点到自由水面的距离与起爆点至基础底面距离之差的绝对值越大时,爆炸荷载作用于码头结构上的压力峰值会显著增大。     

钢筋混凝土柱基于易损性曲线的地震损伤评估

为评估地震作用下结构构件的损伤程度,建立基于竖向剩余承载力的损伤指标,提出钢筋混凝土柱基于易损性曲线的地震损伤评估方法。该方法对钢筋混凝土柱采用精细化分析模型,避免单自由度体系假设,通过增量动力分析获得对数正态分布形式的易损性曲线,进行地震损伤程度评估。研究表明:所提出的地震损伤评估方法,计算简单,能有效评估钢筋混凝土柱在不同地震动强度指标下的损伤程度,为震后钢筋混凝土结构的安全评估和修复加固提供了理论依据。     

爆炸荷载下钢筋混凝土柱动态响应分析的宏观模型

目前常用于爆炸荷载下钢筋混凝土柱动态响应分析的精细化模型,建模复杂、计算效率低,难以在大规模计算中应用。该文研究了纤维模型在模拟爆炸荷载下钢筋混凝土柱动态响应和破坏的缺陷,针对该缺陷在纤维模型的基础上引入弹簧单元,建立了爆炸荷载下钢筋混凝土柱动态响应分析的宏观模型,并给出了模型参数的确定方法。最后以某典型钢筋混凝土柱为例,分别通过精细化模型和宏观模型对其在不同爆炸工况下的动态响应和破坏进行对比分析,结果表明,提出的宏观模型在计算效率高的同时,能够明显弥补纤维模型的缺陷,达到和精细化模型相近的分析结果。     

Experimental study and numerical simulation of the damage mode of a square reinforced concrete slab under close-in explosion

Terrorist attacks using improvised explosive devices on reinforced concrete buildings generate a rapid release of energy in the form of shock waves. Therefore, analyzing the damage mode and damage mechanism of structures for different blast loadings is important. The current study investigates the behavior of one-way square reinforced concrete (RC) slabs subjected to a blast load through experiments and numerical simulations. The experiments are conducted using four 1000 mm × 1000 mm × 40 mm slabs under close-in blast loading. The blast loads are generated by the detonations of 0.2–0.55 kg trinitrotoluene explosive located at a 0.4 m standoff above the slabs. Different damage levels and modes are observed. Numerical simulation studies of the concrete damage under various blast loadings are also conducted. A three-dimensional solid model, including explosive, air, and RC slab with separated concrete and reinforcing bars, is created to simulate the experiments. The sophisticated concrete and reinforcing bar material models, considering the strain rate effects and the appropriate coupling at the air–solid interface, are applied to simulate the dynamic response of RC slab. The erosion technique is adopted to simulate the damage process. Comparison of the numerical results with experimental data shows a favorable agreement. Based on the experimental and numerical results, the damage criteria are established for different levels of damage. With the increase of the explosive charge, the failure mode of RC slab is shown to gradually change from overall flexure to localized punching failure.     

Development of P-I diagrams for FRP strengthened RC columns

In this study, numerical simulations are performed to construct the Pressure-Impulse (P-I) diagrams for FRP strengthened RC columns to provide correlations between the damage levels of FRP strengthened RC columns and blast loadings. Numerical model of RC columns without or with FRP strengthening is developed using LS-DYNA. The accuracy of the model to simulate RC column responses to blast loads is verified by comparing the numerical simulation results with the tests results available in the literature. Dynamic response and damage of RC columns with different FRP strengthening measures are then calculated using the developed numerical model. The residual axial-load carrying capacity is utilized to quantify the damage level since the columns are primarily designed to carry the axial loads. Parametric studies are performed to examine the influence of column dimension, concrete strength, steel reinforcement ratios, FRP thickness and FRP strength on the P-I diagrams. The empirical formulae are derived based on numerical results to predict the impulse and pressure asymptote of P-I diagrams. These empirical formulae can be straightforwardly used to construct P-I diagrams for assessment of blast loading resistance capacities of RC columns with different FRP strengthening measures.     

高延性混凝土偏心受压柱正截面受力性能试验研究

为研究高延性混凝土（HDC）偏心受压柱的受力性能,进行了6个HDC试件和2个RC试件的偏心受压试验,研究HDC偏压柱的破坏形态、承载力及变形能力。试验结果表明:采用HDC替换混凝土可明显改善小偏心受压柱的脆性破坏,提高构件发生小偏心受压破坏的变形能力;相对于RC大偏心受压柱,HDC大偏心受压柱表现出较好的裂缝控制能力,破坏时受拉区裂缝均匀而细密;随着偏心距增大,HDC偏压构件的承载力降低,变形能力提高。正截面受力分析表明:HDC偏心受压构件的相对界限受压区高度均大于RC构件,更有利于高强钢筋的力学性能发挥;考虑HDC受拉作用的偏心受压构件正截面承载力计算结果与试验值吻合良好。该文研究结果可为HDC偏心受压构件截面设计提供试验依据和理论基础。     

近爆作用下钢筋混凝土板动态破坏的数值模拟研究

当爆炸在结构构件表面发生时,产生的冲击波将会对结构构件造成损伤和破坏,而准确预测潜在的爆炸对结构构件造成的损伤是进行重要建筑物和防护结构抗爆设计的基础。为研究近爆作用下钢筋混凝土板的抗爆性能,采用AUTODYN软件建立了混凝土和钢筋的三维分离式实体模型,数值模型考虑了应变率对钢筋和混凝土材料动力本构特性的影响以及炸药-空气-结构之间的流固耦合相互作用,分析了不同炸药量作用下钢筋混凝土板的损伤机理和破坏特征,合理展现了钢筋混凝土板从混凝土开裂、碎片形成、部分钢筋屈服断裂到板局部震塌的动态演变过程。随着炸药量的增大,钢筋混凝土板的破坏模式逐渐由整体弯曲破坏转变为局部的冲切破坏     

Q460高强钢柱在近爆荷载作用下的动力响应研究EI北大核心CSCD

采用有限元软件ANSYS/LS-DYNA,建立钢柱有限元模型,运用流固耦合计算方法,模拟Q460高强钢柱在爆炸荷载作用下的动力响应,在此基础上提出了分段等效三角波计算方法对结构/构件施加爆炸荷载,并对影响钢柱动力响应的主要因素进行数值分析。结果表明:分段等效三角波计算方法和流固耦合方法计算吻合较好,验证了分段等效三角波计算方法的可行性;爆炸冲击波速度快,荷载峰值大,持续时间短,对钢柱的破坏力极强;钢材强度等级越大,钢柱抵抗变形的能力越强;炸药位置越低,柱脚越容易发生剪切破坏;翼缘作为迎爆面更能抵抗爆炸冲击的作用;适当减小翼缘和腹板的宽厚比能增强钢柱抵抗动力荷载的能力。提出的分段等效三角波计算方法为研究抗爆提供进一步参考。     

考虑粘结-滑移与剪切作用的钢筋混凝土柱侧向变形分析

钢筋混凝土柱在地震作用下发生弯剪破坏或剪切破坏,是结构丧失轴向承载能力甚至突然倒塌的重要原因。大量的试验研究显示钢筋混凝土柱总侧向变形由弯曲变形、粘结-滑移变形、剪切变形三种变形分量组成,这三种分量的共同作用决定了钢筋混凝土柱的受力变形反应。该文基于对构件变形分量研究,提出考虑粘结-滑移与剪切作用的钢筋混凝土柱侧向变形的宏单元模型。该模型模拟了静力反复荷载下的3个钢筋混凝土柱的试验模型,并对构件受力过程中各变形分量的变化以及各分量在总变形中的贡献进行了分析。结果表明该模型可以较准确的模拟水平荷载作用下剪切控制构件的受力变形反应全过程。     

火灾后钢管RPC柱近距离爆炸残余承载力研究

对梁-柱构件的轴向力和侧向爆炸荷载进行适当简化,提出了一种基于等效单自由度方法的近距离爆炸分析模型。首先对标准火灾和爆炸作用后的钢管活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete Filled Steel Tubular,简称钢管RPC）柱初始挠度进行估算,然后结合钢管混凝土统一理论给出残余承载力计算公式并对钢管RPC柱的爆炸损伤进行评估。通过大比例模型试验研究了标准火灾后钢管RPC柱的近距离爆炸残余承载力,分析受火时间和爆炸比例距离对残余承载力和破坏形态的影响。结果表明:理论计算结果与试验数据吻合较好,验证了该文计算模型的可靠性。钢管RPC柱的残余承载力损失范围为16%~67%,火灾和爆炸作用对钢管RPC柱承载力产生了不同程度的毁伤,且残余承载力对受火时间更为敏感。其中,仅受火105 min的钢管RPC柱承载力下降60%,而仅遭受爆炸作用的承载力下降16%;经历火灾作用再遭受爆炸荷载的钢管RPC柱承载力损失高达67%。对5根钢管RPC柱进行爆炸损伤评估: 1根为轻度破坏,2根为中度破坏,2根为重度破坏,表明钢管RPC柱具有良好的抗火性能和抗爆性能。     

钢筋钢丝网砂浆加固混凝土柱的抗震性能试验研究

为更有效提高抗震加固效率, 提出采用钢筋钢丝网砂浆加固混凝土柱的思路。制作钢筋钢丝网砂浆加 固、钢筋网砂浆加固和未加固钢筋混凝土方柱三类共9个试件, 进行各柱在竖向恒定轴力和水平向低周反复加载作用下的抗震性能对比试验研究, 测试了各柱的抗震承载力、延性、破坏形态及其滞回特性, 讨论了配箍率、加固形式和轴压比对构件抗震性能的影响。结果表明:相对钢筋网加固柱, 钢筋钢丝网加固柱的耗能能力有大幅度的提高。