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本文在较全面地综述国内外住宅燃气爆炸事故及其防治研究现状的基础上,从住宅燃气爆炸荷载力学模型、数值模拟参数分析、墙体抗爆能力简化理论算法、案例分析验证和防护措施等方面进行了研究,主要工作及创新点如下:
(1)根据住宅燃气爆炸破坏机理,以等温和绝热条件为基础,建立了一种简化计算住宅燃气爆炸荷载的力学模型,并考察了住宅厨房中泄爆压力、泄放面积、气体浓度、点火源位置、房间形状等因素对峰值超压的影响。模型考虑了火焰面的加速机理,能够较好地反映燃气爆炸荷载的规律,并能解释一些实际爆炸现象,得出的荷载-时间曲线可以用于后续结构抗爆数值模拟分析。
(2)结合燃气爆炸荷载及相关有限元软件特点,详细讨论了数值模拟室内燃气爆炸作用下构件变形和破坏特性的建模方法,重点给出了材料动力提高系数(DIF)和失效准则的参数选取原则,并由此系统模拟分析了住宅结构不同形式的墙体、楼板等构件的抗爆能力及其影响因素,可为后续研究工程防护措施提供参考。
(3)应用墙体数值模拟结果和双向板塑性铰线理论,提出了墙体抗爆能力的实用简化算法;根据砂浆层为墙体薄弱环节的原则,借助于软件给出了墙体单位宽度极限弯矩和单向墙体抗爆能力的拟合公式,并用大量算例验证了它具有较好的精度。
(4)对上海地区两起住宅燃气爆炸事故进行了比较分析。运用了包括本文提出的数值模拟和墙体抗爆理论简化计算等在内的多种方法,估算了楼板抗爆能力和事故爆炸超压,继而讨论了燃气爆炸对住宅建筑造成破坏的规律及特点。本章的实例分析初步验证了本文理论和数值分析方法的实际应用效果。
(5)结合我国住宅建筑实际情况,建议了民用住宅燃气爆炸的防护原则;以力学模型、数值模拟结论和实例分析为基础,讨论了增强住宅建筑中墙体和楼板等构件抗燃气爆炸能力以及提高房间泄压效果的技术途径。