强爆炸冲击波作用下典型钢框架建筑动态响应及毁伤效应研究

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钢框架结构具有构造简单、自重轻和抗震性能好等优点,应用范围不断扩大,安全性不容忽视。综合考虑到国内和国际发生的各类恐怖爆炸事件和偶然爆炸事故的严重性,由爆炸产生的冲击波对建筑物造成较大的损伤及破坏,甚至会威胁到人类的生命安全和财产安全。因此,对钢框架结构的动态响应和毁伤效应研究具有重要意义,然爆炸荷载多集中在小当量近距离爆炸,针对长持时的远距离空中强爆炸而言相关响应研究极少,且其对建筑结构造成的毁伤效应不容忽视。所以,研究强爆炸荷载作用下典型钢框架建筑的动态响应和毁伤效应具有重大现实意义及价值。本文采用数值模拟研究方法开展强爆炸冲击波作用下典型钢框架建筑动态响应及毁伤效应研究,主要研究工作及创新成果包括以下几个方面:(1)开展了典型钢框架建筑特性分类及易损性分析研究工作,获得具有普适性的典型钢框架建筑特性分类抽象模型,并通过使用有限元软件AUTODYN进行爆炸冲击波、材料本构模型和爆炸流固耦合数值模拟方法的验证,保证了数值模拟结果的准确性和可靠性。确定了强爆炸荷载简化模拟的方法,根据超压-冲量关系对超压时程曲线进行等效,将强爆炸冲击波荷载近似为三角形面荷载进行施载。(2)研究了钢框架结构在远距离爆炸荷载作用下的相似律,基于量纲分析方法,推导了远距离爆炸荷载作用下钢框架原型与模型的几何相似律表达式。基于已有的钢框架子结构爆炸实验,对比了流固耦合方法和解析爆炸边界方法在钢框架远距离爆炸数值模拟中的准确性和计算效率,结果表明解析爆炸边界方法可合理地模拟远距离爆炸荷载作用下钢框架的动态响应,且计算效率较高。最后,采用该方法分析了具有不同相似比的两层三跨钢框架结构在远距离爆炸荷载作用下的动态响应及毁伤效应,结果表明:该结构的动态响应和毁伤效应符合几何相似规律,为远距离爆炸荷载作用下钢框架结构的缩比实验提供重要参考。(3)开展了多层和高层钢框架在典型强爆炸荷载工况下的数值计算,进行动态响应和破坏模式分析。明确了钢框架典型破坏模式的基本类型,为结构倒塌、节点破坏和构件破坏。数值结果表明:底层柱脚、框架梁柱与斜撑连接处应力水平较高;迎爆面横梁整体弯曲变形较大,下翼缘变形明显,长跨方向纵梁出现平面外变形;支撑屈曲严重;较多梁柱节点连接处的下翼缘局部弯曲变形;同层楼板呈现竖向弯曲变形,整体应力水平较低。同时,分析了多高层钢框架同级荷载毁伤差异较大的影响因素,高层钢框架相较于多层钢框架倒塌临界荷载更低,为钢框架强爆炸毁伤评估提供支撑。(4)建立了强爆炸冲击波作用下典型钢框架建筑毁伤效应适用的毁伤评估准则,即同时考虑层间位移角及其所处楼层位置对整体损伤影响的毁伤评估方案,并给出该评估体系具体的分析步骤。利用该框架级毁伤评估体系,基于四类典型钢框架模型,开展了各类不同典型结构形式下钢框架模型的数值计算,得到较为全面的典型钢框架建筑在强爆炸荷载冲击作用下的超压-冲量毁伤评估曲线。结合实际工程应用,基于钢框架建筑总高度关键因素提出了适用于钢架类建筑强爆炸冲击波毁伤效应工程预测方法,可对强爆炸冲击波作用下任意高度建筑进行快速毁伤预测,为钢框架强爆炸快速毁伤预测提供参考。
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