大跨空間結(jié)構(gòu)在爆炸荷載下的破壞機(jī)理及防御措施研究

大跨空間結(jié)構(gòu)往往是一個地區(qū)或區(qū)域的標(biāo)志性建筑和人流密集場所，易于成為恐怖襲擊的目標(biāo)，研究該類建筑在偶然爆炸/沖擊下的結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理，并提出合理可行的防御措施建議，具有重要的意義及應(yīng)用價值。本課題在此背景下，開展大跨空間結(jié)構(gòu)抗爆領(lǐng)域的系列研究，從材料在高速作用下本構(gòu)模型、大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)在爆炸下的壓力場分布規(guī)律、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在爆炸荷載下的響應(yīng)及防御措施，及大跨空間結(jié)構(gòu)抗爆風(fēng)險評估方法等五個方面均進(jìn)行了探索，初步形成了大跨空間結(jié)構(gòu)抗爆研究的理論框架。課題取得的具體成果包括： 開展六組Q235B鋼材的系統(tǒng)材性試驗：室溫到950°C下的單向拉伸試驗；室溫下應(yīng)變率從8.33x10-4 s-1到1.667x10-2 s-1下單向拉伸試驗；SHTB試驗；不同缺口試樣拉伸試驗；室溫下試樣扭轉(zhuǎn)試驗；室溫下圓柱試件的單向壓縮試驗。通過試驗研究了Q235B鋼的塑性流動行為、延性及不同應(yīng)力三軸度下的斷裂應(yīng)變。使用這些試驗數(shù)據(jù)擬合標(biāo)定了經(jīng)典Johnson-Cook本構(gòu)模型和失效準(zhǔn)則中的待定參數(shù)；為了改進(jìn)預(yù)測結(jié)果提出了改進(jìn)J-C本構(gòu)和失效模型。該系列試驗及研究成果可為今后民用建筑鋼結(jié)構(gòu)抗爆/抗沖擊的分析提供基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)。 通過數(shù)值分析方法研究了兩類大跨度屋蓋在爆炸荷載下的壓力場分布。應(yīng)用ANSYS/LS-DYNA建立合理的有限元模型，實現(xiàn)大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)在爆炸荷載下壓力場的分析。研究了球殼結(jié)構(gòu)、大跨度平屋蓋結(jié)構(gòu)的壓力場分布規(guī)律，討論了炸藥等效當(dāng)量、位置等參數(shù)對壓力場分布的影響。對于大跨度平屋蓋體系的超壓場進(jìn)行了簡化，提出了簡化的數(shù)學(xué)模型，對于工程應(yīng)用能夠提供參考。 系統(tǒng)開展了網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在爆炸荷載下的響應(yīng)及破壞模式研究。系統(tǒng)研究了K8型單層球面網(wǎng)殼在內(nèi)部偏心爆炸下的響應(yīng)及失效模式，分析了各種炸藥及結(jié)構(gòu)參數(shù)對結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響規(guī)律；分別應(yīng)用流固耦合算法與基于CONWEP算法，對網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在外爆荷載下的響應(yīng)開展數(shù)值分析，同樣獲得了各種炸藥及結(jié)構(gòu)參數(shù)對結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的影響。最后，基于模爆器試驗裝置，較為精細(xì)地設(shè)計了試驗?zāi)Ｐ停瑸楹罄m(xù)試驗工作開展奠定了良好基礎(chǔ)。 對爆炸荷載下網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的防護(hù)措施，包括墻體開洞的泄爆效果，屋面板的選擇，桿件加固方法等進(jìn)行研究并提出防護(hù)設(shè)計建議。探討了建筑結(jié)構(gòu)爆炸概率風(fēng)險評估的方法和步驟，并給出一種評價抗爆防護(hù)措施有效性的方法。 2100433B

大跨空間結(jié)構(gòu)通常作為重要公共建筑的屋蓋結(jié)構(gòu)，易于成為恐怖破壞的目標(biāo)；因此，在設(shè)計中應(yīng)合理考慮爆炸荷載的效應(yīng)，并采取防御措施，以大幅度減少爆炸襲擊帶來的危害。申請者以前期研究為基礎(chǔ)，對大跨空間結(jié)構(gòu)在爆炸荷載下的失效機(jī)理及防御措施開展研究，著重解決以下關(guān)鍵理論問題：（1）研究大跨空間結(jié)構(gòu)在爆炸荷載下的沖擊波壓力場分布規(guī)律，提出沖擊波壓力場分布的理論模型；（2）研究大跨空間結(jié)構(gòu)在爆炸荷載下的響應(yīng)特征及其失效模式，揭示其失效機(jī)理；（3）提出大跨空間結(jié)構(gòu)的抗爆設(shè)計思路，提出適用于工程設(shè)計的實用爆炸荷載模型和結(jié)構(gòu)分析方法，研究大跨空間結(jié)構(gòu)的泄爆措施。通過本項目的研究，為大跨空間結(jié)構(gòu)的工程設(shè)計提供扎實的理論基礎(chǔ)和技術(shù)保障，適應(yīng)當(dāng)前空間結(jié)構(gòu)快速發(fā)展的需要。

本項目以提升結(jié)構(gòu)工程設(shè)計安全的需求為背景，結(jié)合實驗研究和數(shù)值模擬為手段，從玻璃和膠片材料層面系統(tǒng)性研究結(jié)構(gòu)玻璃的材料性能并拓展到結(jié)構(gòu)層面的玻璃結(jié)構(gòu)的沖擊破壞機(jī)理和耗能規(guī)律，提出在動載下結(jié)構(gòu)玻璃材料的本構(gòu)和破壞特征及其數(shù)學(xué)力學(xué)表征。開發(fā)了基于組合有限元-離散元理論、考慮夾層玻璃材料和膠合面耦合脫膠行為、分析脆性/延性復(fù)合結(jié)構(gòu)的新型數(shù)值方法及其沖擊仿真模型。通過實驗觀察和數(shù)值模擬，揭示玻璃結(jié)構(gòu)在剛體沖擊下的起裂、破壞過程及其發(fā)展機(jī)理，闡述不同設(shè)計參數(shù)（玻璃類型、玻璃層數(shù)、膠層厚度和類型、支撐條件、玻璃厚度比）和玻璃面板開裂順序?qū)_擊承載力的影響，研究夾層玻璃在沖擊破壞過程中能量傳遞和耗散規(guī)律、各種破壞模態(tài)發(fā)生條件及其沖擊破壞兩大極限狀態(tài)的識別，提出玻璃結(jié)構(gòu)抗沖擊設(shè)計的性能指標(biāo)。推導(dǎo)玻璃結(jié)構(gòu)抗沖擊承載力模型，構(gòu)建玻璃結(jié)構(gòu)抗沖擊設(shè)計方法。

本項目以提升結(jié)構(gòu)工程設(shè)計安全的需求為背景，以玻璃結(jié)構(gòu)為對象，以提高抗沖擊安全性為目標(biāo)，以組合有限元-離散元、材料力學(xué)、沖擊力學(xué)理論為基礎(chǔ)，以實驗研究和數(shù)值模擬為手段，以基礎(chǔ)性研究為特色，以結(jié)構(gòu)玻璃的材料性能和玻璃結(jié)構(gòu)的沖擊破壞為鎖定研究內(nèi)容，提出在動載下結(jié)構(gòu)玻璃材料的本構(gòu)和破壞特征及其數(shù)學(xué)力學(xué)表征，開發(fā)基于組合有限元-離散元理論、分析脆性/延性復(fù)合結(jié)構(gòu)的新型數(shù)值方法及其沖擊仿真模型，推導(dǎo)玻璃結(jié)構(gòu)抗沖擊承載力模型，構(gòu)建玻璃結(jié)構(gòu)抗沖擊設(shè)計方法；通過實驗觀察和數(shù)值模擬，揭示玻璃結(jié)構(gòu)在剛體沖擊下的起裂、破壞過程及其發(fā)展機(jī)理，闡述不同設(shè)計參數(shù)和沖擊模式對沖擊承載力的影響，科學(xué)認(rèn)識在沖擊破壞過程中能量傳遞和耗散規(guī)律、各種破壞模態(tài)發(fā)生條件及其沖擊破壞兩大極限狀態(tài)的識別，提出玻璃結(jié)構(gòu)抗沖擊設(shè)計的性能指標(biāo)。本項目既有鮮明的學(xué)術(shù)前沿性，也有顯著工程應(yīng)用意義，可為玻璃結(jié)構(gòu)設(shè)計提供科學(xué)的理論支撐。