考虑跃迁的指数型炸药空爆荷载等效静载动力系数

为对比抗爆设计规范采用的线性荷载计算模式，建立了考虑跃迁的指数型衰减荷载表达式，通过爆炸荷载等效单自由度微分方程，求解了关于跃迁时长、超压峰值、指数型形状调整参数、结构自振频率与荷载作用时长的等效静载抗力动力系数表达式。根据跃迁时长与形状调整参数，分析了四种典型计算工况，结果表明:现行结构抗爆设计规范等冲量线性衰减荷载可设计范围明显偏小，动力系数在延性比β＜3.0下偏保守，而β≥3.0，wt₊＞1.4δ时偏不安全，最大偏低17.4%；跃迁时长比值越大，动力系数越大，跃迁时长比为1%～2%时，对动力系数影响程度为0.4～0.7%，指数型荷载形状调整参数对柔度特别大的结构动力系数无影响，对其它结构动力系数增大或减少影响程度不一。     

基础埋置深度对土壤——多层结构动力相互作用的影响

本文利用Baranov-Novak关于埋置基础水平与摆动耦合振动的结果及Veletsos与Verbic关于粘弹性地基振动的结果,给出了与埋置基础等效的无埋置基础的动力刚度系数及阻尼系数,并以钢筋混凝土框架结构为例来说明基础埋置深度对土壤——多层结构动力相互作用的影响。计算结果表明,结构体系第一振型的弹性位移及阻尼比并不总是随埋深比的增加而单调变化;在一定的范围内,结构体系基础有埋深时的基频与无埋深时的基频之比与埋深比之间有着近似的线性关系;结构体系的地震位移响应基本上是由第一振型控制的。     

爆炸冲击荷载作用下弹性支撑拱结构的动力响应分析

利用数值分析方法,系统研究了爆炸冲击荷载作用下弹性支撑对拱结构动力特性和动力响应的影响。研究表明:弹性支撑使拱结构自振频率减小,随着弹性支撑刚度系数的增加,各阶频率逐渐增大,其中对低阶频率的影响比高阶频率大;弹性支撑临界刚度系数是弹性支撑拱结构动力特性的分界点,此时结构第一阶、第二阶的频率几乎重合,出现模态转向;弹性支撑并不总是具有缓冲减振的效果,弹性支撑刚度系数较小时,缓冲减振效果较好,但会引起较大的拱脚竖向位移,在工程实际中可能并不适用;弹性支撑刚度系数较大时,在爆炸冲击消失以后,由于非线性振动等因素的影响,会出现振动增强,尤其当弹性支撑刚度系数接近弹性支撑临界刚度系数时,结构振动增强最为剧烈,此时设置阻尼支撑可消除振动增强。本文结果表明应综合设置刚度系数较大的弹性支撑和阻尼支撑以提高结构的抗爆承载能力。     

水下爆炸冲击荷载下混凝土重力坝的抗爆性能

在水下爆炸冲击荷载作用下,结构动力响应较之静态荷载和地震荷载作用下要复杂得多。通过大 量的数值模拟,探讨了混凝土重力坝在水下爆炸冲击荷载作用下,大坝高度、库前水位对大坝抗爆性能的影 响,为大坝抗爆性能评估和防护设计提供基础。数值计算中,构建了重力坝水下爆炸全耦合数值模型,并考虑 爆炸冲击作用下混凝土的高应变率效应。研究结果表明:对于混凝土重力坝,随着大坝高度的增加,大坝的抗 爆性能增强;库前水位对大坝的抗爆性能影响较大,通过降低库前水位可有效提高大坝的抗爆性能。     

岩石爆破开挖诱发振动的等效模拟方法

岩石爆破开挖过程中爆炸荷载的复杂性、岩石介质模型的多变性、本构方程的多样性、以及群孔爆 破模拟计算工作量巨大等诸多因素使得准确模拟爆破诱发的围岩振动存在较大的困难,鉴于此提出一种等 效数值模拟方法。根据爆破过程炮孔周围岩石破坏范围的空间分布特征,确定群孔起爆条件下爆炸荷载作用 的等效弹性边界;通过分析炸药起爆后炮孔空腔动力膨胀、岩体裂纹扩展、炮孔堵塞物运动以及爆生气体的逸 出,计算了等效边界上沿炮孔轴向变化的爆炸荷载。结合瀑布沟水电站1# 尾水隧洞爆破开挖监测,基于动力 有限元法运用该等效技术模拟了围岩的质点振动速度。数值模拟与现场实测数据的对比表明该等效模拟技 术用于岩石爆破开挖围岩响应的计算是合适的。计算结果同时还显示,等效边界邻近岩体力学参数的选取对 计算结果有重要影响。     

接触爆炸荷载作用下溢流坝的抗爆性能

以黄登重力坝的溢流坝为研究背景,考虑混凝土的高应变率效应,运用Lagrange-Euler耦合算法建立大坝-库水-空气-炸药全耦合数值模型,研究溢流坝在接触爆炸荷载作用下的抗爆性能。分析满库与空库时溢流坝在爆炸冲击波作用下的动力响应及损伤程度,并进一步研究满库时大坝在不同炸点的水下接触爆炸荷载作用下的动力响应及损伤分布。研究结果表明,满库时水下爆炸比空库时爆炸的动力响应及损伤程度大得多;溢流坝的抗爆薄弱部位主要集中在溢流道顶部及坝体上游折坡处。研究溢流坝的抗爆性能时应重点研究满库时水下爆炸对大坝的破坏特性。     

附加黏滞阻尼器结构附加等效阻尼比算法研究

本文基于应变能概念,从附加等效阻尼比计算的基本理论出发,结合国内外相关规范、导则及论文,讨论了几种计算附加非线性黏滞阻尼器建筑结构的附加等效阻尼比实用估计方法.以一个实际工程为算例,比较附加黏滞阻尼器结构和两种不同估计方法得到的附加等效阻尼比的阻尼结构在地震时程下的响应,验证了各方法计算结果满足工程精度情况.     

带TLD结构基于Davenport谱随机风振响应分析和风荷载取值的复模态法

对带TLD控制系统的高层建筑随机风振响应和等效静态设计风载取值问题进行了系统研究。针对主体结构用第一振型展开所得方程为非经典阻尼和非对称结构运动方程,用复模态理论解耦,并利用随机振动理论获得结构风振响应解析式,建立了将结构分解为一系列等效单自由度体系的一般方法,继而利用等效单自由度体系随机风振响应的解析解,获得了带TLD结构基于现行规范Davenport谱随机风振响应和等效静态设计风载的解析解,并给出算例,从而建立了非经典阻尼非对称被动控制结构基于Davenport谱随机风振响应和风载取值的一般解析方法。由于获得解析解,故本文方法可用于带TMD、TLD等结构基于动力可靠度约束的抗风优化设计。此外,由于建立了将结构分解为一系列等效单自由度体系的一般方法,利用等效单自由度体系与抗震反应谱的关系,本文方法还可用于非经典阻尼非对称被动控制结构基于抗震反应谱的地震作用取值。     

近场近地爆炸下建筑柱爆炸荷载分布规律及简化模型

为了快速评估近场近地爆炸荷载下建筑柱的动力响应和破坏模式,通过数值仿真方法,探究了近场近地爆炸工况下冲击波在建筑柱迎爆面的分布规律,并提供了该工况下的爆炸荷载简化模型。为此,首先利用已有实验数据验证数值模型,并建立典型近地近场爆炸工况的数值模型,然后研究比例爆距和比例爆高对建筑柱冲击波特征参数的影响规律,最后拟合出柱迎爆面反射冲量和正相超压持续时间的计算公式,将柱迎爆面各点爆炸荷载转化为等效三角形荷载模型,为工程实践中建筑柱遭受近场近地爆炸作用下的抗爆设计提供荷载输入。研究结果表明：当比例爆高小于0.3 m/kg^1/3、比例爆距在0.4～0.6 m/kg^1/3范围时,最大反射冲量沿柱高可简化为三折线分布;当比例爆距在0.6～1.4 m/kg^1/3范围时,最大反射冲量沿柱高可近似简化为双折线分布;在同一比例爆距和比例爆高工况下,随着炸药当量的增加,柱迎爆面相同比例高度处反射超压峰值保持不变而反射冲量正比于当量的立方根。     

非线性碟簧动力吸振器的宽带数值优化设计及其应用

提出了非线性碟簧动力吸振器的宽带数值优化设计,推广了前人在非线性动力吸振器领域的研究．首先提出了计算耦合非线性动力吸振器的主系统的稳态响应的平均法,然后采用数值优化法详细的研究了非线性动力吸振器的宽带优化设计,系统讨论了质量比、主系统阻尼比、吸振器阻尼比、系统频率比、激励频率比、位移比、吸振器刚度非线性系数和吸振器阻尼非线性系数与抑振带宽的关系;最后考虑了非线性动力吸振器的应用实例,指出非线性动力吸振器可以显著拓宽抑振频带．     

Estimating equivalent viscous damping ratio for RC members under seismic and blast loadings

It can be learned that the equivalent viscous damping (EVD) ratio as a function of displacement ductility is a crucial parameter in the application of the displacement based method. A set of generalized expressions are proposed herein for estimating the EVD ratio for individual and multiple reinforced concrete (RC) members. For individual RC members under seismic loads, the EVD ratio was derived based on their hysteretic response and hysteretic energy dissipated under fully reversed cyclic loading. Because of the nature of blast loads only the energy dissipated up to maximum displacement was considered to estimate the EVD ratio for individual RC members under blast loads. For multiple degree of freedom systems consisting of RC members, the EVD ratio was derived based on equating the total energy dissipated in the system to the sum of the energy dissipated by its individual members. Analytical studies presented here and elsewhere indicate that the EVD ratio is highly dependent on the damaged displacement ductility, which can be directly correlated to damage. These analytical results along with the expressions to compute the EVD ratio for RC members under seismic and blast loads are presented and discussed in this paper.     

球形装药动态爆炸冲击波超压场计算模型

为获得球形装药动态爆炸冲击波超压场计算模型,对静态爆炸冲击波超压Baker计算公式加入修正因子进行修正,并建立了构造包含装药运动速度、对比距离和方位角的修正因子函数的方法。为获得修正因子的函数表达式,采用高精度显式欧拉流体动力学软件SPEED针对具有典型运动速度的球形装药空中爆炸过程进行了数值模拟,得到了沿装药不同对比距离和方位角处的动态爆炸冲击波超压峰值。在对数值模拟结果处理的基础上,经过数据拟合获得了动态爆炸冲击波超压场计算模型。校验结果表明,该模型能较准确描述动态爆炸冲击波超压分布,具有普适性。     

高应变率下断裂韧性实验的数值模拟

采用有限元软件ANSYS/LS-DYNA程序对静态和冲击荷载作用下的含裂纹半圆弯曲(SCB)实验进行了数值模拟。根据静态实验的模拟结果,提出了适合复合型加载的Ⅰ型应力强度因子拟合公式,采用该公式计算应力强度因子的最大误差不超过10%。动态实验的模拟结果表明:对于纯Ⅰ型加载的SCB实验,动态应力强度因子随着试样半径、支座间距以及相对裂纹长度的变化呈现规律性变化;当试样半径小于60mm、相对支座间距为1.2、相对裂纹长度在0.1~0.4范围内时,惯性效应的影响较小,采用静态拟合公式计算裂尖的动态应力强度因子的误差约10%;对于复合型加载的SCB实验,当相对裂纹长度为0.2~0.4、裂纹倾角在10°~40°范围内时,采用静态拟合公式计算裂尖的动态应力强度因子的误差小于10%。     

基于爆能等效原理大型模爆器燃气爆炸冲击加载的数值模拟

运用非线性显式动力有限元程序LS-DYNA,基于多物质Euler算法,对TNT炸药和乙炔-空气混合气体两种爆炸源在自由大气场中爆炸产生的冲击波荷载特征参数进行数值模拟,比较两种爆源产生的冲击波压力传播规律。基于爆能等效原理,按超压相等的原则给出了气体爆炸名义比例距离计算公式。结果表明,基于Euler算法可以较好地描述乙炔-空气混合气体爆炸空气冲击波传播规律,爆炸压力随着距爆源距离的增大而迅速衰减,且两种爆源产生的冲击波超压峰值误差随着冲击波传播距离的增大而逐渐减小。采用名义比例距离公式修正后,气体爆炸与炸药爆炸冲击波计算误差可以得到有效控制。当爆炸冲击波超压小于0.5MPa时,可以采用乙炔-空气混合气体代替化学炸药进行模爆器内爆炸实验加载。     

冲击波荷载作用下拉线塔的非线性动力分析

拉线塔是一种含有柔索的非线性结构。在冲击波荷载作用下,拉线塔在三维空间内会产生大范围的非线性位移,用工程上常用的模型简化方法来分析大变形拉线塔的误差比较大。本文采用非线性有限元法编制的可在微机上运行的拉线塔非线性静、动力分析程序,计算了单根柔索的阶跃冲击响应与冲击波荷载作用下拉线塔的非线性几何大变形动力响应,计算结果与有关文献的计算结果以及试验结果非常吻合。     

基于饱和响应时间的封闭空间内爆炸载荷等效方法研究

针对舱内爆炸载荷形式复杂、作用时间长、缺乏有效的简化描述方法的问题，首先采用显式动力学计算程序开展了内爆载荷作用下钢板动态响应的数值计算，在与试验结果对比验证的基础上分析了金属板的内爆载荷饱和冲量。通过对216种不同爆炸载荷加载时长与金属板响应关系的分析，提出了内爆炸载荷作用下结构最大变形所对应的饱和时间计算经验公式，并给出了饱和时间的无量纲系数建议值。考虑到内爆载荷初始冲击波的影响，结合爆炸载荷饱和作用时间的规律，提出了封闭空间爆炸载荷的矩形载荷等效方法，对比了18组简化载荷与耦合载荷分别作用下钢板的动力响应，验证了等效方法的有效性。     

聚脲加固砖填充墙抗爆性能的试验和分析方法研究

为了掌握聚脲喷涂加固砖填充墙的抗爆特性,基于一种改进的大型爆炸试验装置,开展了聚脲加固框架砖填充墙的原型爆炸试验,分析了爆炸荷载作用下加固砖墙的动力响应特征和破坏过程及模式,揭示了其失效破坏机理。研究结果表明,聚脲加固可大幅提升填充墙构件的抗爆性能,显著增加填充墙构件的变形延性;加固砖墙受爆炸荷载作用发生振动的过程其体系刚度不断变化,最高相差133%;随着比例距离降低,加固砖墙的破坏模式逐渐由弯曲破坏转为剪切破坏,聚脲厚度超过6 mm可以有效限制局部剪切破坏现象;基于砖墙和聚脲涂层的抗力函数建立的理论计算模型,可以较为准确地预测爆炸作用下背爆面加固双向砖墙的正向位移响应过程。     

负泊松比蜂窝材料抗爆炸特性及优化设计研究

为了深入研究车辆底部防护组件爆炸冲击下的结构响应，提高防护型车辆的抗爆炸冲击性能，建立了某车辆底部防护组件在爆炸冲击下的有限元模型，并进行爆炸冲击台架试验验证了有限元模拟的可靠性；将内凹六边形负泊松比蜂窝材料作为防护组件的夹芯部分，分析负泊松比蜂窝材料在爆炸冲击下的变形模式，并对比了同等质量的其他3种防护组件的抗爆炸冲击性能。结果表明，含有负泊松比蜂窝夹芯的防护组件具有更优的抗爆性能。建立了以内凹六边形负泊松比蜂窝胞元尺寸参数为设计变量的多目标优化问题的数学模型，采用多目标遗传算法获得胞元几何参数的最优方案，有效降低了防护组件基板的最大挠度和最大动能。     

Damage model and damage assessment for single-layer reticulated domes under exterior blast load

Long-span reticulated dome is often considered as a landmark building of a region, so it is very important to investigate the dynamic response and propose the damage assessment method of reticulated dome under blast loading. In this article, a fine finite element model of Kiewitt8 (K8) single-layer reticulated dome was established by using ANSYS/LS-DYNA. The effects of standoff distance, charge weight, rise–span ratio, span, and roof weight on the responses of K8 single-layer reticulated dome were numerically studied. The results showed that the blast-resistant performance of reticulated dome with smaller rise–span ratio and larger span under exterior blast load was more advantageous. Although the blast-resistant capacity of reticulated dome with large span and large roof weight was favorable, the plastic deformations of reticulated dome members were small and the utilization of material was low at failure state. According to the dynamic response characteristics of plentiful K8 single-layer reticulated domes at different damage levels, a damage model of K8 single-layer reticulated dome under exterior blast load was proposed in this article to indicate the damage level and determine the ultimate strength. Besides, a new damage criterion for K8 reticulated dome was also defined. This damage model was defined based on the physical phenomena at different damage levels, which made the strength failure criterion had definite physical meaning. Using the proposed damage criterion and a new search algorithm for pressure and impulse, the pressure–impulse diagrams for the typical K8 reticulated dome were derived from the numerical simulations to evaluate the damage level of reticulated dome under blast loading. Finally, a method to determine the safety standoff distance for reticulated dome under given TNT charge weight was also proposed.