爆炸冲击荷载作用下钢管构件动力响应试验研究及数值模拟分析

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近年来,全球各地爆炸事故频繁出现。爆炸指的是物质系统在极短时间内,释放出大量能量和大量气体,在周围介质中形成高温高压环境状态的短暂过程,其破坏性非常强烈。研究爆炸冲击波对建筑结构的破坏效应,对保障整个结构的安全性、保护人民的生命财产安全具有十分重要的意义。我国从上世纪80年代开始至今,在不断建成和完善高压输电网,输电网中的输电塔结构构件断面有钢管、单角钢、双拼角钢和四拼角钢等形式。其中钢管材料易采购、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。本文采用理论分析、试验研究与数值模拟三种方法,分析了爆炸冲击荷载作用下钢管构件的动态响应,建立了爆炸荷载作用下钢管构件动态响应的数值模型,并且归纳了构件中部位移的影响因素。主要的研究工作及结论如下:  ①通过查阅大量的文献,了解了爆炸冲击荷载的研究现状及相应成果,初步确定了本文的主要研究内容及方法;总结了爆炸冲击波的形成、传播、作用、反射、绕流以及破坏性等术语及概念;整理了波阵面状态参数、比例距离、峰值超压、正压作用时间和正压冲量等与爆炸冲击波相关的参数及公式;简要叙述了乳化炸药在工程上的应用及钢材在高应变率下的动力特性。  ②基于爆炸理论及相似原理、比例距离等内容,确定了各种规格的钢管构件在比例距离分别为1.512/m/kg1/3、1.007/m/kg1/3、0.504/m/kg1/3和0.120/m/kg1/3的12种工况下静爆试验的方法,并进行了试验。测得各试件迎爆面顶部、中部、背爆面中部及等比例距离下自由场的超压时程曲线,以及构件中部加速度时程曲线;对数据进行了归纳总结,进一步掌握了乳化炸药产生的爆炸冲击波的传播规律与对钢管构件的作用特点。临近场爆炸时,爆炸冲击荷载对钢管构件局部产生了巨大的冲击,使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,钢管构件受到的爆炸冲击荷载到达时间短、峰值大、作用时间短,构件动态响应主要受爆炸冲击荷载第一个波阵面正压的影响,冲击荷载呈现出典型的三角形荷载特征;远场爆炸时,爆炸冲击荷载到达时间较长、峰值较小,作用时间较长,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。  ③采用非线性显式有限元软件ANSYS/LS-DYNA,选取合适的材料模型、计算参数和边界条件,建立了爆炸冲击波与钢管构件相互作用的数值模型。并将数值模拟结果与试验结果进行比较,验证了数值模型的合理性。除了观察到波传播规律及试验过程中的弹性变形和恢复过程,还分析了试验采集结果与数值模拟结果产生误差的原因。与相关文献中对钢管混凝土柱破坏模式的研究进行类比,将钢管构件的破坏模式归纳为弯曲破坏、剪切破坏及弯剪破坏:钢管壁厚较厚时,构件抗爆性能有所增加,其破坏模式更接近于弯曲破坏;当爆炸荷载作用时间更短、压力峰值和冲量更大时,构件破坏模式更接近于剪切破坏。  ④无阻尼等效三角形冲击动荷载作用下,质点的运动呈正弦或余弦曲线。以爆炸冲击荷载作用下构件中部最大位移为评判标准,钢管构件抗爆性能受各因素变化影响的敏感性程度由高到低的顺序为:构件直径>构件长度>钢材强度>钢管壁厚。所以为了提高钢管的抗爆性能,应尽量减小直径;当直径一定时,可采取减小长度或增加钢材强度的措施以提高其抗爆性能。
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