爆炸荷载下钢筋混凝土梁的变形和破坏

利用爆炸压力模拟器进行钢筋混凝土简支梁爆炸冲击实验,详细介绍了实验设计,通过实验系统分析了钢筋混凝土(RC)梁变形破坏特征以及钢筋作用机理和对变形破坏的影响,并建立了RC梁的分离式有限元模型,利用LS-DYNA分析了实验过程,对计算结果与实验结果进行了比较,分析了误差产生的原因,得到了爆炸冲击荷载作用下RC梁的损伤破坏特征和机理,可为毁伤评估和结构抗爆设计提供参考。     

接触爆炸荷载对钢筋混凝土梁的局部毁伤效应

为得到接触爆炸下钢筋混凝土（reinforced concrete，RC）梁的局部破坏模式和毁伤效应，对同一尺寸的RC梁进行了不同装药量的接触爆炸试验研究。试验中采用框架结构中典型工程尺度RC原型梁为研究对象，通过4次爆炸试验，观测了RC梁在不同装药量下的局部破坏模式和破坏特征，分析了装药量对局部毁伤效应的影响。研究结果表明:接触爆炸荷载作用下，RC梁将发生正面成坑、侧面崩落、背面震塌和截面冲切等局部破坏模式，爆坑深度、震塌厚度、表面毁伤面积以及受压区纵筋变形均与装药量立方根近似呈线性增加关系。在试验数据基础上，将RC梁局部毁伤程度划分为轻度毁伤、中度毁伤、重度毁伤和严重毁伤4个等级，采用比例装药量判据进行评估。研究成果可为抗爆结构设计和结构毁伤评估提供理论依据。     

泡沫铝防护钢筋混凝土板的抗爆性能

为研究多孔吸能材料泡沫铝板对工程结构的抗爆防护作用，开展室外爆炸破坏实验，分别对设置不同泡沫铝防护层的钢筋混凝土（reinforced concrete，RC）板在爆炸荷载下的动态响应及破坏模式进行了研究，并运用LS-DYNA软件建立了有限元模型。通过与实验对照，验证了模型的可行性，对比分析了有、无泡沫铝防护层钢筋混凝土板的损伤破坏规律，并讨论了泡沫铝密度梯度分布和纵筋配筋率的影响。结果表明:有限元模型能够有效分析含泡沫铝防护层RC板的动态响应及其破坏形态；泡沫铝防护层能够有效减小钢筋混凝土板的挠度变形，降低试件的破坏程度；泡沫铝密度由下到上递增情况对RC板的减爆效果最好；增大配筋率可以提升泡沫铝防护RC板整体抗爆性能。     

梯度蜂窝夹芯板在爆炸荷载作用下的动力响应

利用弹道冲击摆锤系统对分层梯度蜂窝夹芯板在爆炸荷载下的动力响应进行了实验研究,分析了梯度蜂窝夹芯板在爆炸荷载作用下的变形失效模式,并与传统非梯度蜂窝夹芯板的抗爆性能做了对比。通过一维应力波理论,分析了应力波在梯度芯层中的传播规律。应力波透射系数在梯度试件中比非梯度芯层中小,而且相对密度递减的芯层组合有最小的应力波透射系数。综合考虑结构变形失效模式,后面板挠度,芯层压缩量以及应力波传播特点得到:分层梯度蜂窝夹芯板的抗爆性能明显优于传统的非梯度夹芯板,在所研究的荷载范围内,芯层相对密度从大到小排列试件的抗爆性能相对较好。     

爆炸荷载作用下弹性与阻尼支承梁的动力响应

为了提高梁的抗爆能力,目前通常是从材料、截面形状等方面考虑．通过在梁端部设置弹性和阻尼支承来提高梁的抗力．为此,应用拉格朗日方程建立了端部弹性与阻尼支承梁的动力方程,通过长作用时间和短作用时间两个爆炸动荷载的典型算例,分析了端部弹性与阻尼支承对梁动态响应的影响,并指出在短作用时间动荷载作用下在梁端部设置弹性与阻尼支承可有效提高梁的抗力．     

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。     

起波钢筋高速动态拉伸力学性能研究

针对提高混凝土梁抗冲击爆炸性能的起波配筋新技术,采用理论分析与动态冲击拉伸试验相结合的方法,揭示了起波钢筋的快速拉伸变形作用机理,分析了拉伸速度、起波矢高等因素对起波钢筋抗拉强度的影响规律,确定了起波钢筋静态弹性极限强度计算方法。提出了起波钢筋等效拉伸应变率新概念,建立了弹性极限强度动力放大系数（dynamic increase factors,DIF）计算模型。研究结果表明,预先弯折起波使得钢筋在受力拉直过程中产生截面弯矩,起波钢筋的力学性能存在明显的应变率效应;起波钢筋弹性抗拉极限强度DIF随起波矢高的增高先增大后减小,存在一个最优起波设计矢高,可以使起波钢筋抗拉强度动态放大系数达到最大。研究成果可为进一步推动起波配筋技术在防护工程中的应用提供依据。     

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。     

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。     

不同荷载模式下矿用救生舱受力性能的数值模拟

针对某煤矿井下救生舱,利用ANSYS和LS-DYNA软件建立救生舱、瓦斯/瓦斯煤尘和巷道三维有限元模型。分别进行了真实内瓦斯/瓦斯煤尘爆炸作用下救生舱流固耦合数值分析,等效三角波爆炸冲击荷载作用下救生舱动态模拟和静水压力荷载作用下救生舱的极限承载力和极限变形的数值计算,确定救生舱动/静态承载能力变化规律和变形模式,给出瓦斯/瓦斯煤尘爆炸超压与救生舱承载能力和变形模式的变化规律。研究结果表明,等效三角波爆炸冲击荷载作用下该救生舱整体结构的极限超压明显比流固耦合计算分析结果大,流固耦合计算分析结果更接近于实验结果。该救生舱满足爆炸冲击波荷载下的变形要求时,其在静水压荷载作用下的变形也能满足。     

基于双折线抗力模型的空爆荷载梁式构件振动位移研究

为研究双折线抗力模型对空爆荷载梁式构件振动位移的影响,提出了柔性、刚性两类梁式构件正向弹塑性振动及回弹阶段弹塑性振动的分析法。应用等效单自由度法建立了各阶段振动方程并依据不同的初始条件推导出了各阶段的理论解。采用此理论解和代表性塑性强化系数,开展了双折线抗力模型中不同塑性强化程度对两类梁式构件正向弹塑性振动及回弹阶段弹塑性振动位移的典型工况验证。研究结果表明:基于双折线抗力模型位移理论解的适用范围更广;随着双折线抗力模型塑性强化系数的增大,两类梁式构件的最大弹塑性位移、残余变形均逐渐减小,且残余变形降低程度高于最大弹塑性位移;塑性强化系数增大到一定程度,梁式构件回弹阶段将出现塑性振动位移,进一步降低残余变形,无塑性回弹位移的理想弹塑性抗力模型会高估空爆荷载下梁式构件的残余变形。     

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.     

爆炸载荷下RC单向简支板的能量法优化设计

由钢筋混凝土(RC)板的抗力-位移(R-y)曲线特性可知,曲线下方面积代表板 在爆炸载荷作用下可能吸收的能量. 对爆炸载荷作用下RC板的R-y曲线采用双折线模型,计 算不同配筋率的R-y曲线下方面积,面积最大时的配筋率即可定义为相应设计的最佳配筋率. 考虑材料非线性及高应变率对混凝土和钢筋强度的影响,采用分层法迭代求解抗 力-挠度(R-y)曲线. 研究结果可供受爆炸载荷的RC板优化设计借鉴.     

有腹筋混凝土梁的剪切刚度分析模型

钢筋混凝土梁的挠度计算通常不计入剪切变形的贡献,然而对于斜向开裂的有腹筋混凝土梁,斜裂缝会显著降低梁体的有效剪切刚度,导致剪切变形值显著增大,因此在验算评估时应予以考虑.为评价钢筋混凝土梁斜向开裂后的有效剪切刚度,首先,基于变角桁架模型推导了钢筋混凝土梁在箍筋屈服状态下的有效剪切刚度;与弹性剪切刚度比较发现,剪切刚度退化系数的主要影响因素为材料弹模比、配箍率和斜压杆倾角.其次,基于试验剪切变形曲线表现出的刚度退化规律,提出了可用于不同开裂程度下剪切刚度计算的恒定切线刚度退化模式,并采用开裂后的剪力增量作为反映开裂程度的定量指标.最后,根据最小能量原理得到了剪切刚度退化中两个关键参数:斜压杆倾角和剪切刚度退化系数的解析公式.通过2根薄腹混凝土梁剪切变形试验以及收集的15个受剪梁段的剪切变形数据对模型有效性进行了验证,验证结果表明:有腹筋混凝土梁剪切刚度分析模型能较为准确地预测箍筋屈服状态的剪切刚度,并能反映不同开裂程度下的剪切刚度退化规律.     

框架结构悬链线效应研究新进展

本文主要研究框架结构悬链线效应方面的新进展,并着重对钢筋混凝土框架结构与钢框架结构悬链线效应的区别,以及强震作用下框架结构连续倒塌过程中的悬链线效应进行了探讨.本文首先介绍悬链线效应的概念,即处于结构整体中的水平构件在失去抗弯能力后,通过轴力和很大挠度形成的力矩来抵抗外载荷产生的弯矩的现象.在火灾、强震等作用下,框架结构局部梁构件会依次进入弹性状态、弹塑性状态,进而屈服产生塑性铰,成为瞬变机构,此时梁构件的挠度会迅速增大,形成悬链线效应,当塑性铰失效时,则会产生机械铰,当悬索拉力超过极限承载能力时,机械铰断裂.其次通过算例来研究两端铰接约束梁在小变形状态下轴力与挠度形成的力矩与弯曲抵抗力矩的比值随载荷、跨度以及截面高宽比变化的关系.接着对国内外学者的框架结构悬链线效应研究进行系统的分析和总结,重点研究钢筋混凝土梁构件由压拱效应向悬链线效应的转化过程.最后对框架结构悬链线效应研究需要进一步开展的工作进行探讨和展望,通过利用悬链线效应的强度储备来增强结构的潜在强度和抗倒塌能力.      

AP1000屏蔽厂房在接触爆炸荷载作用下的非线性动力分析

屏蔽厂房是AP1000核岛厂房的第一层外部防线，确保屏蔽厂房在服役期间遭受爆炸冲击荷载作用下的安全性和完整性，十分重要。本文中，采用欧拉-拉格朗日算法(coupled Euler-Lagrange, CEL)，对炸药在屏蔽厂房20种不同起爆部位作用下的动态破坏特征进行了研究，以结构贯穿破坏的损伤质量作为损伤程度的判别依据，着重探讨在不同起爆位置作用下结构的压力和损伤演化特性。研究表明:在接触爆炸荷载作用下，厂房在起爆点附近发生局部破坏；在相同高度下，环向不同角度起爆所引起的损伤程度差异较小，不同高度起爆的损伤程度差异较大。通过压力和损伤的演化分析，确定了屏蔽厂房最不利抗爆部位，对厂房不同部位的配筋策略提出建议。结论可为制定屏蔽厂房在爆炸冲击荷载作用下的安全防护措施提供参考依据。     

热力耦合结构的弹性支撑分析与拓扑优化设计

弹性支撑是保证热力耦合载荷作用下结构有效承载的一种支撑设计方案, 可以在满足结构刚度设计要求的同时有效降低结构内的应力集中, 保证结构的热变形协调. 从理论分析与数值计算两个方面, 研究了热力耦合载荷作用下结构的弹性支撑优化设计. 首先以弹性支撑梁模型为例, 通过给出热力耦合载荷下应力计算的解析表达式, 从理论上说明弹性支撑对结构应力峰值的影响, 阐述了弹性支撑的承载与热变形协调的双重效果. 在此基础上, 提出了解决该类问题的弹性支撑通用优化数学模型和拓扑构型优化方法, 通过数值算例与优化结果展示了方法的有效性.     

冲击波对核反应堆安全壳的动力响应研究

本文用时域边界积分方程提出研究半球形核反应堆安全壳在爆炸冲击波作用下动力响应分析的计算模型。从空中爆炸和地面爆炸两方面探求壳体位移和变形过程,分析冲击波在壳体内的传播规律。计算了在水平冲击波作用下壳体的内力分布,其计算结果可以作为我国核电站设计的参考分析依据。