重力坝水下接触爆炸的数值分析

采用显式程序AUTODYN中的Euler-Lagrange耦合算法模拟混凝土重力坝水下接触爆炸。研究在不同炸点的水下接触爆炸荷载作用下大坝的动力响应以及损伤裂纹分布特点。针对上述特点采用泡沫铝作为抗爆材料,研究了泡沫铝的抗爆效果。研究结果表明:采用泡沫铝作为大坝水下爆炸抗爆材料能大幅降低爆炸冲击波幅值,减小大坝的动力响应,同时能减小爆炸对坝体产生损伤及裂纹分布范围,具有良好的抗爆性能。     

隧道内爆炸作用下衬砌结构损伤机理及抗爆性能研究

为研究隧道内爆炸作用下衬砌结构抗爆性能,采用AUTODYN软件建立炸药-空气-衬砌结构-围岩与土体三维耦合体系模型,并考虑应变率对混凝土材料动力本构模型影响及炸药-空气-结构间流固耦合作用,分析隧道内爆炸荷载作用下衬砌结构动力响应及损伤机理,研究不同炸药量、衬砌结构配筋率及地质条件等对隧道衬砌结构抗爆性能影响。结果表明,隧道内爆炸作用下爆炸荷载存在振荡且沿隧道纵向、径向以不同规律衰减;损伤主要发生在衬砌结构底板、底板与侧帮及侧帮与拱肋连接部位;衬砌结构配筋率越高,围岩质量越好,衬砌结构损伤程度越低,隧道整体抗爆性能越好。     

结构内爆炸荷载作用下钢筋钢纤维混凝土抗爆墙设计探讨

基于内爆炸原理,分析了结构内爆炸荷载的组成,提出了内爆炸荷载作用下抗爆墙的解析计算方法,对钢筋混凝土抗爆墙设计进行优化;提出将钢纤维应用于抗爆墙设计,并结合实例对钢筋混凝土与钢筋钢纤维混凝土抗爆墙进行计算对比。结果表明:准静态气体压力使结构内抗爆隔墙所受荷载比建筑外抗爆墙高出25%以上;在相同距离、相同爆炸当量条件下,钢筋钢纤维混凝土比普通钢筋混凝土抗爆墙厚度减少11%。     

钢筋混凝土隔离墙抗爆性能数值模拟研究

为了研究钢筋混凝土隔离墙在爆炸荷载作用下的动态响应和抗爆性能,采用LS-DYNA有限元软件建立9 m跨度隔离墙结构简化模型,模拟了不同药量和爆炸距离下隔离墙的动态响应。将模拟结果与经验超压公式计算结果和已有试验结果对比,验证了爆炸荷载和材料参数选取的合理性,分析了结构的破坏过程、冲击波作用规律、墙面荷载分布规律和结构变形情况。结果表明:建立的数值模拟可以较好地模拟爆炸冲击波与结构的相互作用;墙面冲击波压力衰减速率与药量和爆炸距离密切相关,墙面压力衰减幅度可达97.8%。在相同药量时,随着爆炸距离增加,墙体底部压力减小,顶部冲量增加;墙体结构由小变形转变为结构整体的较大变形;比例距离小于0.376■时,墙体底部容易发生剪切破坏。模拟结果可以为抗爆隔离墙的设计提供依据。     

水下和空中爆炸时混凝土重力坝动态响应对比分析

由于水和空气的物理属性差异以及与爆炸产物的界面作用效应不同,使得水下和空中爆炸冲击波传播特性及其荷载作用下的大坝结构动态响应存在较大的差异。通过构建混凝土重力坝水下爆炸和空中爆炸的全耦合数值仿真模型,考虑炸药起爆、冲击波传播、冲击波与结构的相互作用以及结构的动态响应等复杂过程,在对比分析爆炸冲击波在水下和空中传播特性的基础上研究了水下和空中爆炸冲击波对大坝动态响应及损伤程度的影响。研究表明,水下爆炸冲击荷载作用下混凝土重力坝动态响应及损伤程度均较同等炸药量下空中爆炸冲击荷载作用时大;在研究水工大坝抗爆性能时,应重点关注水下爆炸冲击波传播的特性及大坝在水下爆炸荷载作用下的动态响应。     

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。     

冲击荷载下大型箱涵输水安全性的数值分析

冲击荷载对大型箱涵输水安全的影响是工程界关注的重要问题,其研究涉及到冲击荷载传播、土～结构物～水相互作用等诸多方面。采用数值分析技术,土与箱涵之间设置接触面单元,水体采用任意拉格朗日欧拉法描述,采用罚方法模拟水与箱涵相互作用,研究了爆炸冲击荷载对大型箱涵输水安全性的影响。研究结果表明： ALE法可以较好揭示土中爆破对输水情况下钢筋混凝土结构物的影响;输水情况下水体能传递荷载到箱涵中墙上,并缓冲冲击荷载对边墙的过大影响,可改善结构整体安全性;有压输水情况对结构物安全影响最为明显。     

POZD涂覆钢板加固钢筋混凝土板抗爆性能研究

为了研究聚异氰氨酸酯噁唑烷(Polyisocyanate oxazodone, POZD)聚合物高分子材料涂覆钢板-钢筋混凝土板在接触爆炸荷载作用下的抗爆性能,开展了接触爆炸试验和数值模拟研究,对其破坏特征进行分析。采用有限元软件LS-DYNA建立了钢筋混凝土板、炸药、钢板和POZD的有限元模型,讨论了不同药量下POZD涂覆钢板加固钢筋混凝土板的破坏模式和破坏特征。试验及数值结果表明：在钢板-钢筋混凝土板背面涂覆POZD涂层能有效提升结构的抗爆性能;在接触爆炸作用下,POZD涂覆钢板加固钢筋混凝土板试件呈现四种破坏模式。     

爆炸作用下高强钢绞线网片-聚合物砂浆加固钢筋混凝土板的数值模拟

为了探究高强钢绞线-聚合物砂浆加固技术对钢筋混凝土板的抗爆性能的影响,应用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA对其进行了在爆炸荷载作用下的数值模拟。在验证有限元模型合理性的基础上,对比分析了爆炸荷载作用下砂浆层厚度、砂浆强度和钢绞线直径等不同加固参数对钢筋混凝土板的破坏形态与板底位移的影响。结果表明:采用高强钢绞线-聚合物砂浆加固后钢筋混凝土板的抗爆性能显著提高;在砂浆加固层厚度、砂浆强度、钢绞线直径3种加固影响参数中,砂浆加固层厚度对钢筋混凝土板的加固效果影响显著,而砂浆强度和钢绞线直径对板的加固效果不明显。如果运用该技术提高钢筋混凝土板的抗爆性能,优先考虑增大加固层厚度。     

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。     

水下爆炸荷载作用下结构动力响应及损伤破坏

为了研究水下爆炸荷载作用下重力式沉箱码头的动力响应及其损伤评估,基于Coupled Lagrangian Eulerian算法,通过AUTODYN建立了一维自由场冲击波、气泡脉动数值模型,验证了数值计算的合理性;将突堤式沉箱码头数值计算结果与试验数据进行对比分析,验证了数值分析模型的可靠性;建立了典型重力式沉箱码头在爆炸荷载作用下的三维数值模型,并分析了不同炸药当量、混凝土强度、配筋率等条件下,重力式沉箱码头的动力响应及损伤破坏。结果表明：随着装药量的增大,峰值位移逐渐增大,且增大的幅度与速度有所提高;结构配筋率主要影响重力式沉箱码头的抗剪性能,在水下爆炸荷载作用下,提高结构配筋率、混凝土强度能够优化整体结构的抗爆性能。研究成果可以为我国重力式沉箱码头结构在水下爆炸荷载作用下抗爆设计及防护措施提供参考。     

方形中空夹层钢管超高性能钢纤维混凝土柱抗爆性能数值模拟与实验验证

建立了爆炸荷载作用下方形中空夹层钢管超高性能钢纤维混凝土(Ultra-High Performance Steel Fiber Reinforced Concrete Filled Double Skin Steel Tube,UHPSFRCFDST)柱动态响应及其损伤破坏三维有限元数值模型。首先通过模拟结果与爆炸破坏试验结果的对比分析,验证了数值模型和计算方法的有效性。进而运用参数化分析方法,研究了空心率、含钢率、内、外层钢管厚度及其强度等关键参数对UHPSFRCFDST柱抗爆性能的影响。研究结果表明,UHPSFRCFDST柱具有优越的抗爆性能,所建立的三维有限元模型能够有效地分析UHPSFRCFDST柱在爆炸荷载作用下的动态响应及其损伤破坏;在一定范围内减小空心率及提高外层钢管强度可有效提升UHPSFRCFDST柱抗爆性能;提高含钢率、减小内、外层钢管高厚比均能够显著提升UHPSFRCDST柱抗爆性能;内层钢管强度对UHPSFRCFDST柱的抗爆性能影响并不明显。     

爆炸荷载下钢管混凝土构件动态响应的数值模拟与试验验证

通过数值模拟和试验两种方法对爆炸荷载下钢管混凝土构件(CFST)的动态响应进行研究.首先基于LS-DYNA非线性有限元分析软件,采用多物质流固耦合方法,建立爆炸荷载下CFST数值模型;其次,设计三根钢管混凝土试件的爆炸罐内近距爆炸试验,并基于试验结果对数值模型的有效性及合理性进行了验证;最后总结爆炸荷载作用下CFST的破坏规律,并通过参数化分析方法,研究核心混凝土强度与钢管厚度对CFST抗爆性能的影响.结果表明:数值模拟方法能够有效合理地反应CFST在爆炸荷载作用下的动态响应,对比爆坑深度和测点加速度的模拟结果与试验结果,误差均在10％以内;近距离爆炸荷载下,CFST结构的破坏形式可分为4个阶段:迎爆面破坏、跨中弯曲变形、端部受拉、振动阶段;提高核心混凝土强度和增大钢管厚度都能改善CFST的抗爆性能,核心混凝土等级为C50、C70、C80的构件背爆面中心位置位移最大值相比于C30等级分别减小了2.3％、4.3％、5.3％,钢管厚度为4 mm、5 mm、6 mm的构件相比于3 mm钢管背爆面中心位置位移最大值分别减小了17.0％、28.6％、37.4％,钢管厚度对结构抗爆性能的改善效果更为明显.     

爆炸荷载作用下钢筋砼板结构的破坏特性

钢筋混凝土板结构是军事工程和核电工程中常用的构建物,但爆炸能够对其造成严重的破坏。首先分别建立方形混凝土板、钢筋、空气和TNT三维实体模型,采用Lagrange-euler耦合算法仿真计算近场爆炸作用下方形钢筋混凝土板的抗爆性能,并通过与实验结果的对比验证了耦合模型的可靠性。在此基础上,使用该仿真模型对接触爆炸作用下方形钢筋混凝土板的毁伤特性进行了研究。结果表明:接触爆炸作用下钢筋混凝土板的破坏区域主要集中在板中心处,迎爆面压碎成坑、板中心冲切成孔和下表面的震塌剥落是其主要破坏模式。     

爆炸荷载作用下钢筋砼板结构的破坏特性

钢筋混凝土板结构是军事工程和核电工程中常用的构建物,但爆炸能够对其造成严重的破坏。首先分别建立方形混凝土板、钢筋、空气和TNT三维实体模型,采用Lagrange-euler耦合算法仿真计算近场爆炸作用下方形钢筋混凝土板的抗爆性能,并通过与实验结果的对比验证了耦合模型的可靠性。在此基础上,使用该仿真模型对接触爆炸作用下方形钢筋混凝土板的毁伤特性进行了研究。结果表明:接触爆炸作用下钢筋混凝土板的破坏区域主要集中在板中心处,迎爆面压碎成坑、板中心冲切成孔和下表面的震塌剥落是其主要破坏模式。     

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。     

爆炸荷载作用下钢筋混凝土结构的动态响应与破坏模式的数值分析

在爆炸荷载(尤其是脉冲荷载)作用下,除了常见的弯曲破坏形态之外,钢筋混凝土结构还可能发生直剪破坏和弯剪破坏。如何准确地预测爆炸荷载作用下的钢筋混凝土结构动态响应和破坏特征是当前抗爆结构领域十分关注的课题之一。该文介绍作者近年来在这方面的一些研究成果,主要有:将三参数形式的应变速率型材料模型推广应用于二维状态下的混凝土本构关系,建立了弹粘塑性混凝土结构有限元分析方法;基于Timoshenko梁理论和弹粘塑性理论,分别采用有限差分法和有限元法,建立了土中浅埋钢筋混凝土结构动力响应和破坏模式的有限差分和有限元分析方法。对爆炸荷载作用下的典型钢筋混凝土结构计算结果表明:基于Timoshenko梁理论的有限差分分析方法和有限元分析方法能较好地模拟梁的动态响应和弯曲、弯剪以及直剪的破坏模式,而二维弹粘塑性混凝土结构有限元分析方法只能较好地模拟梁的弯曲破坏模式。     

固支圆形泡沫铝夹芯板在爆炸作用下变形研究

为研究泡沫铝夹芯板(简称"AFSP")的抗爆特性及其与泡沫铝板或实体金属板抗爆性能差异,对3种固支圆形板在钢管内油气混合物点火产生的爆炸荷载作用下残余变形进行试验研究。主要分析泡沫铝板在爆炸荷载下破坏特点、相同荷载条件下AFSP与实体金属板残余变形大小差异、面板材质与芯材厚度的变化对AFSP残余变形的影响等。试验结果显示:单独泡沫铝板在爆炸荷载作用下易发生整体剪切破坏;与实体板相比,芯材厚度为16 mm的AFSP在质量仅增加25.9%的条件下,残余变形减小48.5%;同载同重的钢面板较不锈钢面板AFSP的残余变形量减小30.7%;AFSP的芯材厚度由8 mm增加至16 mm,在荷载稍有增加时,残余变形反而减少了51.6%。AFSP较相同重量的实体金属板具有更好抵抗爆炸荷载的能力,AFSP的芯材厚度与面板材料是影响其抗爆性能的两个重要因素,AFSP是一种具有较好抗爆性能的复合材料。     

成层式结构泡沫空心球分配层抗爆性能试验研究

分别采用黄沙和泡沫空心球为分配层制作不同的成层式工程结构模型,通过大比尺集团装药标准试验、对比试验和二次爆炸试验,考察了采用泡沫空心球作分配层时成层式结构的抗爆性能。试验结果表明,在相同的爆炸荷载作用下,分配层采用泡沫空心球时,成层式结构的防护层破坏比采用黄沙作分配层时严重,但分配层下方相同位置的压力前者远小于后者;相比传统成层式结构,新型成层式结构具有更好的防护效果。     

爆炸冲击荷载作用下框架柱简化分析模型研究

爆炸冲击荷载作用下结构的反应分析属于典型的动力学问题，由于爆炸冲击荷载作用位置的局部性和作用时间非常短暂，结构构件的抗爆分析与地震荷载作用下的动力分析有显著不同，结构构件抗爆分析具有明显的局部性，结构构件在爆炸冲击波荷载作用下的受力与整体结构关系不大，只与受力构件周围一定范围内的结构构件刚度有关，在爆炸冲击荷载作用下，可以把结构构件简化为考虑端部约束条件的单根杆件进行分析。本文以理论分析为基础、以ANSYS通用大型有限元分析软件为工具，研究了柱端约束条件对框架柱在爆炸空气冲击波作用下分析结果的影响，提出了一种框架柱抗爆分析计算的简化模型，对结构抗爆分析研究和设计具有指导意义。