爆炸荷载下基于细观建模的素/钢筋混凝土板破坏模式

为了获得爆炸荷载下细观结构对素/钢筋混凝土板的影响,采用随机骨料投放建立了素/钢筋混凝土板细观模型。利用LS-DYNA对基于细观建模的钢筋混凝土板进行爆炸荷载作用下的数值模拟,通过与实验以及均质建模方法进行比较,验证了细观建模方法的准确性。进而研究了基于细观建模的素/钢筋混凝土板在不同爆炸荷载下的结构响应,获得了素/钢筋混凝土板的响应过程和破坏模式。结果表明:在低药量（1、2 kg）爆炸荷载下,细观结构对素/钢筋混凝土板的影响较小,其破坏模式以纵横塑性铰线破坏为主,药量越大,铰线越多;在高药量（5、10和15 kg）爆炸荷载下,细观结构对素/钢筋混凝土板的影响较大,与均质模型相比存在较大差异,细观素/钢筋混凝土板以爆坑为中心,产生环向与径向裂纹,药量越大,圆坑越大,裂纹越多,板局部破坏越严重。     

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。     

爆炸荷载作用下影响RC梁破坏形态的主要因素分析

在冲击、爆炸等强荷载作用下，钢筋混凝土结构通常是发生弯曲破坏。室内外试验结果表明，当动荷载峰值较大、作用时间较短（脉冲荷载）时，钢筋混凝土结构易发生脆性的剪切破坏，其主要原因是脉冲荷载的高频成份丰富和加载速率高等特点容易激发结构构件中的剪切变形和剪 应力。本文基于Timoshenko梁理论，提出了一种爆炸荷载作用下钢筋混凝土梁破坏形态的有限差分预报方法，利用该方法分析了荷载加载速率、截面高度、混凝土强度、配筋率等对钢筋混凝土破坏形态的影响规律，并指出，随着荷载升压段加载速率、截面高度、主筋配筋率的增加或混凝土强度的降低，梁的破坏形态从弯曲破坏转变为剪切破坏。     

爆炸荷载作用下钢筋混凝土梁的动力响应及破坏形态分析

对基于Timoshenko梁理论建立的非线性动力有限元法作了改进。根据压区理论得到混凝土的平均剪应力和平均剪应变关系,建立了能反映箍筋的抗剪作用的材料模型;此外,对结构在爆炸荷载作用下可能出现的各种响应现象进行了描述,以准确地预测梁破坏时不同位置截面上钢筋和混凝土的受力、变形及破坏情况。应用改进的材料模型,对爆炸荷载作用下的五个钢筋混凝土试验梁的动力响应和破坏形态进行了数值模拟,结果表明,该数值方法能较好地模拟钢筋混凝土梁的弯曲、弯剪和剪切等破坏形态。     

钢筋混凝土拱的水下抗爆性能

为探究水下爆炸荷载作用下钢筋混凝土拱的动力响应特性和破坏特征,制作了两个钢筋混凝土拱试件,并开展了水下爆炸试验。试验分为拱外爆炸和拱内爆炸两组,采用10 g乳化炸药,试验时爆源距结构面最小距离为10 cm（起爆点位于拱结构正上方和正下方）,通过传感器记录爆炸试验中钢筋混凝土拱典型断面处的水压力及加速度时程曲线。基于Arbitrary Lagrange-Euler (ALE)算法,建立了空气-水-炸药-钢筋混凝土拱等多介质动态耦合作用模型,将数值模拟结果与试验结果对比,验证了数值方法的可靠性。采用验证后的数值模型进一步研究了拱外及拱内爆炸荷载作用下钢筋混凝土拱的动力响应差异。结果表明：相同炸药当量下,内部爆炸有更多的能量作用于混凝土拱,使结构的动力响应更强烈;外部爆炸下,拱顶、拱腰处产生较大裂缝;内部爆炸时,迎爆面裂缝数量明显增多,拱肩位置出现裂缝。钢筋混凝土拱形结构抵抗外部爆炸荷载的能力明显强于内部爆炸荷载。     

爆炸荷载在圆截面桥梁墩柱上的分布规律

墩柱是桥梁结构的主要承载构件,研究爆炸荷载在墩柱上的分布规律是分析爆炸荷载作用下桥梁结构动态响应的前提。以圆截面桥梁墩柱为研究对象,基于LS-DYNA软件建立了桥梁墩柱的有限元模型,综合考虑炸药当量、爆心高度、爆炸距离和墩柱直径等影响因素,基于数值模拟得到爆心高度低于0.3倍墩柱高度,比例距离为0.5～2.1 m/kg1/3和墩柱直径为0.15～1 m时,爆炸荷载冲量沿墩柱高度和横截面方向上的分布。结果表明:沿墩柱高度方向,地面爆炸或爆心高度为0.1倍柱高时,墩柱前表面冲量近似“单线性”分布,当爆心高度距地面0.2和0.3倍柱高时,墩柱前表面冲量近似“双线性”分布;沿横截面方向的平均净冲量与其前表面冲量之比为常数。基于上述爆炸荷载冲量分布规律,进一步提出了爆炸荷载作用在桥梁墩柱上总净冲量的计算方法,从而为桥梁墩柱抗爆响应分析与设计提供一定的理论基础。     

舱内爆炸载荷及舱室板架结构的失效模式分析

通过对典型半穿甲导弹打靶实验中舰艇结构破坏模式的观察，结合数值模拟，分析了舱内爆炸载荷的特征以及舱内爆炸下舱室板架结构的失效模式。结果表明，舱内爆炸下，舱室板架结构承受的冲击载荷及失效模式与敞开环境爆炸下加筋板结构承受的冲击载荷及失效模式有较大区别，其动态响应难以用敞开环境爆炸下加筋板结构的动态响应描述；舱内爆炸载荷主要有壁面反射冲击波、角隅汇聚冲击波以及准静态气体压力，其中两壁面和三壁面角隅汇聚冲击波的强度分别为相同部位壁面反射冲击波强度的5倍和12倍以上；舱室板架结构主要有4种失效模式，其中模式Ⅲ、Ⅳ较常发生；舱室板架结构加强筋布置在迎爆面将使板架中部的局部破坏程度增加，但有利于削弱角隅汇聚冲击波强度，减小板架沿角隅部位的撕裂破坏。     

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。     

爆炸荷载下沉箱重力式码头模型毁伤效应

在野外条件下开展了不同爆炸荷载条件下沉箱重力式码头模型毁伤效应实验,得到了沉箱重力式码头模型在1 kg TNT当量空中爆炸、水下爆炸以及结构内部爆炸后的毁伤模式,并针对不同毁伤模式给出了相应的抢修建议。实验结果表明:空中爆炸荷载下码头仅面板局部破坏形成爆坑;水下爆炸荷载下码头迎爆面及相近区域形成大量裂缝;结构内部爆炸荷载下码头仓格大变形破坏且中间面板被掀飞;从横向对比来看,在相同爆炸当量下空中爆炸荷载下码头毁伤程度最小,结构内部爆炸荷载下码头毁伤程度最大。     

钢筋混凝土排架结构的抗爆破坏等级

为了研究钢筋混凝土排架结构在大当量爆炸冲击波下的破坏规律,依据最大TNT当量为3 t的爆炸试验,对排架主体结构的抗爆破坏等级进行数值模拟研究。通过量纲分析得到1/2缩比模型的荷载参数和结构尺寸。基于Abaqus有限元软件,利用CONWEP方法实现爆炸加载,分别计算装药0.5 t爆距33 m和装药3 t爆距33 m两种工况下排架结构的破坏形态,并与试验结果进行对比。进一步通过控制药量和距离,计算不同超压和冲量下缩比模型的破坏形态。研究结果表明,排架的关键破坏特征为中间承重柱的倾覆转动;数值计算与试验破坏形态吻合较好,特征位移和特征转角的最大相对误差分别为5.6%和4.6%。以承重柱的倾覆角作为划分依据,将计算结果分为3种破坏等级,拟合得到的超压-冲量曲线和药量-距离曲线可用于厂房安全距离和仓库容量设计以及意外爆炸下的破坏程度预估。     

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。     

接触爆炸作用下高聚物复合板毁伤特性分析

高聚物材料具有成型快和膨胀性能好的特点,该材料与碎石和钢筋的复合结构应用于地基处理和城市道路脱空除险加固,具有明显优势。本文中,设计并制作了高聚物碎石板和钢筋高聚物板,开展了接触爆炸冲击下的试验研究,通过毁伤尺寸和所测冲击波数据探讨了2种板的毁伤特性。基于ANSYS/AUTODYN非线性显式有限元程序,建立了试验中毁伤更严重的钢筋高聚物板的接触爆炸全耦合模型,并通过与试验结果的对比,验证了所建耦合模型的准确性和适用性。参数化分析了钢筋高聚物板对炸药量和板厚的敏感性,并利用多参数非线性回归分析方法,提出了钢筋高聚物板迎爆面和背爆面破坏直径的预测公式。结果表明：接触爆炸作用下,高聚物碎石板的毁伤模式以接触部位的局部震塌冲切破坏为主,除此之还有一些毁伤裂纹;钢筋高聚物板的破坏模式主要是迎爆面爆坑毁伤、背爆面剥落损伤和中心冲切贯穿破坏。高聚物碎石板和钢筋高聚物板对爆炸冲击波都具有良好的衰减作用,有望应用到抗爆炸冲击防护领域。     

外爆条件下冲击波与组合壳结构的相互作用

为研究冲击波与组合壳结构的相互作用,针对带防护墙的地面直立钢筋混凝土组合壳结构,考虑结构安置于地面和周边围土2种工况,开展结构爆炸实验,分析了结构外表面冲击波荷载分布及振动特性。实验结果表明:冲击波作用下,结构外表面爆炸荷载主要产生在冲击波绕射过程,确定荷载时应考虑冲击波压力在绕射传播过程中的自然衰减;整个结构中与冲击波最早接触的构件先产生振动,而后由于结构整体参与使得振动频率降低,振动幅值减小;结构周边围土可降低防护墙迎爆部分构件的振动频率,减小防护墙和组合壳的振动幅值。     

POZD涂层方形钢筋混凝土板抗接触爆炸试验研究

为研究聚异氰氨酸酯噁唑烷聚合物高分子材料（polyisocyanate oxazodone,POZD）涂层方形钢筋混凝土板在接触爆炸作用下的破坏模式和抗爆性能,对POZD涂层方形钢筋混凝土板进行接触爆炸条件下试验研究。试验中采用建筑结构中楼面设计常用的钢筋混凝土板为研究对象,通过11次独立的爆炸试验,分析了不同POZD涂层厚度对抗爆性能的影响,观测了钢筋混凝土板在不同装药量和不同POZD涂层厚度条件下的破坏模式和破坏特征,研究结果表明:涂层POZD钢筋混凝土板的主要破坏模式为钢筋混凝土板正面爆炸成坑,背面POZD涂层的圆锥状鼓起。POZD涂层鼓起主要是在爆炸冲击波作用下POZD涂层从基体板脱离并出现较大塑性变形所致。当冲击波荷载强度超过POZD材料的极限抗拉强度时,在涂层锥尖处形成较小的圆孔装剪切破坏,涂层的其他区域保持完好,从而让钢筋混凝土板不会产生较大范围的震塌破坏。在强冲击波荷载作用下利用POZD涂层仍然能够保持大变形、高塑性特性,可以通过自身的大变形很好地延长爆炸荷载的作用时间和耗散时间,吸收较大冲击波能量,从而约束混凝土震塌碎片,提高钢混混凝土板的抗爆性能。随着POZD涂层厚度增加,板的抗接触爆炸作用下的抗爆能力越强,临界震塌破坏装药量越多。研究结果可为工程应用及毁伤评估提供参考。     

近爆下泡沫混凝土复合结构在地下洞室的抗爆特性数值研究

为研究近爆作用下带泡沫混凝土复合结构的地下洞室的抗爆性能,基于LS-DYNA非线性有限元软件,建立了TNT炸药-围岩-锚杆-衬砌结构-空气的爆炸效应全耦合模型。应用ALE多物质流固耦合算法对比分析了普通衬砌结构洞室和带泡沫混凝土夹层的衬砌结构洞室的重要控制测点的应力、空气层压力和位移。测点峰值应力与TM5-855-1的经验公式吻合良好,证明了数值模拟的可靠性。数值研究结果表明,相比普通混凝土夹层,泡沫混凝土夹层能够有效地削弱爆炸冲击波的传播,大幅降低洞室内部空气的压力峰值,降低超压对人体器官的损伤,提高洞室内部人员的生存几率;采用泡沫混凝土夹层的衬砌需加强拱顶区域的刚度以降低顶底板相对位移差。研究结果为地下洞室抗爆设计提供了参考依据。     

JPC聚能装药对钢筋混凝土墙毁伤效应的试验与数值模拟研究

为了满足高侵深和大穿孔的要求,设计一种聚能杆式弹丸（jetting projectile charge, JPC）,开展大尺寸钢筋混凝土墙的毁伤效应试验。在此基础上,基于修正参数的K&C(Karagozian&Case)模型进行数值模拟,研究JPC高速侵彻和爆炸冲击波对钢筋混凝土墙的联合破坏作用,分析墙体厚度对破坏效果的影响规律。结果表明,在1.67倍和2.50倍装药直径的炸高条件下,JPC均能够有效贯穿80 cm(6.67倍装药直径)厚的钢筋混凝土墙,形成直径大于6 cm(0.50倍装药直径)的柱状孔洞;聚能装药的多载荷毁伤特性决定了钢筋混凝土墙的破坏结果,爆炸冲击波能够加剧墙体正面开坑和背面崩落的破坏范围;墙体厚度对于墙体正面漏斗坑的直径与深度及内部侵彻孔洞直径均无显著影响;随着墙体厚度增大,背面漏斗坑直径逐渐减小,深度却逐渐增大。     

聚氨酯泡沫铝复合结构抗爆吸能试验及数值模拟分析

通过对聚氨酯泡沫铝和混凝土组成的复合结构进行接触爆炸试验,探讨了聚氨酯泡沫铝的吸能性能,并进行数值模拟分析。结果显示:聚氨酯泡沫铝的吸能性能明显优于泡沫铝,吸能层厚度对吸能效果影响很大,多层结构的聚氨酯泡沫铝吸能性能对比厚度一致的单层吸能层结构没有明显的改善;在保证了比较合理的吸能层厚度后,防护结构的每一层材料层存在着一个最佳的厚度组合来保证复合层优良的抗爆性能。     

爆炸实验水池防护性能及动力学响应分析

针对爆炸实验水池强度设计问题,利用非线性动力学程序LS-DYNA对10 kg TNT爆炸后的水中冲击波传播规律及爆炸水池结构动态响应情况进行了数值模拟, 对空气桶和气泡帷幕削弱水中冲击波的能力进行了定量计算,结果表明:空气桶对冲击波峰值压力削弱作用接近50%,对比冲量削弱作用达到16.2%;气泡帷幕对壁面反射冲击波的削弱作用高达86.2%,对比冲量削弱作用达到75.6%。在此基础上进一步分析了冲击载荷作用以及结构响应机理,指出了内衬钢板和混凝土围堰的危险区域,对爆炸能量在各物质间的分配和传递规律进行了初步探索,为相关爆炸水池的工程设计提供参考。     

不同装药战斗部壳体对水中兵器的爆炸威力

通过对裸炸药和带壳战斗部在无限水域中水下爆炸的实验研究,对比分析了炸药的冲击波峰值压力、比冲击波能、比气泡能、总比能量及相对比总能量等爆炸特性参数。结果表明:不同装药爆炸后峰值压力从大到小分别是热塑梯黑铝、熔梯黑铝、复合PBX、TNT,其他对比参数从大到小分别是复合PBX、熔梯黑铝、热塑梯黑铝、TNT;带壳战斗部爆炸后比冲击波能、比气泡能、总比能量相对裸炸药均有不同程度的下降,其中总比能量分别比裸炸药减少25%、21%、15%和15%;战斗部壳体对水中兵器爆炸的比冲击波能、比气泡能及总比能量的影响较为显著。因此,研究水中兵器爆炸威力必须考虑战斗部壳体因素,不能简化。研究成果对于战斗部水下爆炸威力考核有一定的借鉴意义。