室内爆炸作用下钢框架及其梁柱连接的动力响应分析

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近年来恐怖袭击和其它爆炸事件屡有发生,由爆炸导致的结构倒塌严重威胁人民的生命安全。炸药爆炸冲击荷载强度大,具有瞬时性和局部性。结构构件或梁柱连接的局部破坏可导致结构的整体连续性倒塌。因此研究结构和梁柱连接节点在爆炸作用下的动力响应和破坏模式有重要意义。首先采用显式有限元软件LS-DYNA研究了内源爆炸作用下钢框架整体结构的动力响应,基于钢框架的变形特征和内力分布规律,提出梁柱连接的简化模型,对钢框架梁柱节点在内源爆炸冲击作用下的动力响应进行参数化分析。本文的主要研究内容如下:(1)选用合理的单元类型和材料参数,采用流固耦合算法模拟整体结构在内源爆炸作用的动力响应,选取有代表性的节点,分析结构在不同位置的位移、速度和加速度的变化规律。结果显示在冲击荷载作用下梁柱节点的变形有局部性和弱传递性。(2)通过改变爆炸冲击荷载的大小,分析框架结构变形和内力分布对炸药当量增量的敏感性,提出传递系数描述内力在构件内的传递效率。(3)根据构件内的变形规律和内力分布规律,将梁柱节点简化为端部有弹簧约束弹簧的梁柱构件组合,并将爆炸超压作用简化为冲击荷载。研究了不同参数情况下梁柱连接的抗爆性能,考察了柱梁翼缘厚度比、柱横向加劲肋、节点域柱腹板厚度、轴压比等参数的影响。结果显示同时增加梁、柱翼缘厚度、横向加劲肋和增加节点域柱腹板厚度均能缓解柱腹板和翼缘局部屈曲,减小节点的变形;柱轴压比的大小对节点应力分布和变形影响不大。根据研究结果显示,现有按照抗震要求设计的梁柱连接在通常人肉炸弹内部袭击时不会发生破坏,但在更大TNT当量炸药爆炸时会发生较大的变形和应力,应进一步研究其抗爆性能。
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