地下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在爆炸載荷作用下的毀傷及其防護

本項目采用理論分析、實驗和數(shù)值計算相結(jié)合的方法，研究地下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在爆炸載荷作用下的毀傷及其防護問題。通過建立適用于連續(xù)介質(zhì)非線性動力學(xué)問題的離散元法理論框架，提出在計算精度方面可與有限元法相媲美的離散元模型和計算方法，編制既能解決非連續(xù)介質(zhì)的動力學(xué)問題、連續(xù)介質(zhì)的非線性動力學(xué)問題、又能解決連續(xù)介質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)榉沁B續(xù)介質(zhì)的力學(xué)問題的離散元計算軟件。根據(jù)實際需要利用自行設(shè)計制造的三軸多功能SHPB實驗 2100433B

隨著各種材料與結(jié)構(gòu)在艦船和潛艇水下防護上的廣泛應(yīng)用，這些材料和結(jié)構(gòu)在水下爆炸沖擊載荷作用下的動力學(xué)響應(yīng)研究已引起高度的重視。目前，實驗研究方法主要依賴于水下實爆和水池實驗，較為不便。因此，如何在實驗室中實現(xiàn)模擬水下爆炸沖擊波環(huán)境，已成為迫切的研究需求。本項目通過理論、數(shù)值模擬及實驗的方法，研制實驗室內(nèi)專用設(shè)備，在不使用炸藥的情況下，利用液氮驅(qū)動高速彈丸，撞擊充水靶倉獲取等效水下爆炸沖擊波載荷的方法，建立撞擊等效水下爆炸沖擊響應(yīng)實驗設(shè)備。研究不同材料與典結(jié)構(gòu)在水下爆炸沖擊載荷作用下的失效模式與吸能變形特性，并結(jié)合水下爆炸實驗與數(shù)值仿真技術(shù)驗證等效加載實驗設(shè)備的有效性。沖擊加載實驗設(shè)備的建立能夠在一定程度上替代水下爆炸沖擊響應(yīng)實驗，使材料與結(jié)構(gòu)的水下爆炸沖擊響應(yīng)研究更加方便、安全，也更具可控性，這將有力地促進水下爆炸沖擊下材料與結(jié)構(gòu)的動力學(xué)響應(yīng)研究，相關(guān)工作具有科學(xué)意義與應(yīng)用價值。

新材料與結(jié)構(gòu)在艦船和潛艇水下防護上的廣泛應(yīng)用，使得它們在水下爆炸沖擊載荷作用下的動力學(xué)響應(yīng)研究引起高度的重視，但實驗研究方法主要依賴于水下實爆和水池實驗，十分不便。因此，如何在實驗室中實現(xiàn)模擬水下爆炸沖擊波環(huán)境極為有必要。 基于彈性波理論與數(shù)值仿真技術(shù)，對撞擊產(chǎn)生等效水下爆炸沖擊波的原理進行了研究，驗證了裝置的可行性。研制出了一臺等效沖擊加載實驗裝置，它由一級輕氣炮、水靶艙、方艙、壓力采集以及飛片測速系統(tǒng)等組成。通過試驗校核了沖擊波壓力時程，發(fā)現(xiàn)撞擊速度與活塞厚度分別決定沖擊波的壓力峰值與脈寬?；跀?shù)字圖像相關(guān)（DIC）方法，搭建了三維動態(tài)DIC測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)由高速相機、鹵素?zé)簟?shù)據(jù)采集工作站以及同步觸發(fā)裝置組成，實現(xiàn)了對靶板響應(yīng)過程的拍攝，可得到干表面的離面位移場的形成與演化過程。 對鋁靶板沖擊的加載實驗與數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，在鋁板響應(yīng)前期，位移場是由外向內(nèi)呈現(xiàn)“環(huán)形”過渡演化的，邊界存在彎曲現(xiàn)象；當達到最大變形后出現(xiàn)微小的“回彈”。在無邊界剪裂的情況下，鋁板的最大離面位移與無量綱沖量成線性關(guān)系。對蜂窩鋁板的沖擊實驗表明，增加芯層厚度明顯增強了蜂窩鋁板的抗沖擊能力。芯層在受載前期被壓垮壓實，靶板中心產(chǎn)生大面積變形區(qū)，之后蜂窩鋁的變形過程與鋁板一致，即最大變形由外向中心過渡。蜂窩鋁板主要毀傷模式有：芯層壓潰整體大變形伴隨濕表面褶皺、干表面邊界剪裂破壞、濕表面芯層壓痕以及整體翹曲。纖維板的沖擊實驗表明，CFRP與GFRP均呈現(xiàn)脆性破壞特性，在受載初期呈現(xiàn)一定的線彈性。CFRP易產(chǎn)生裂紋撕裂，且斷口粗糙，存在分層、纖維拔出等現(xiàn)象，脆性特征顯著。GFRP受載后的離面位移場會不斷振蕩，且材料內(nèi)部出現(xiàn)層裂區(qū)域，載荷越大層裂區(qū)域也越大，同時伴隨基體開裂與纖維界面脫粘。預(yù)制裂紋在靶板破壞過程中起到的關(guān)鍵作用，“十”字預(yù)制刻槽的銅板主要有中心局部頸縮、中心鏤空和十字形撕裂的破壞模式。泡沫鋁板主要有兩種破壞模式，即小載荷時約束邊界處發(fā)生邊界剪裂，強載荷下中心區(qū)域易發(fā)生斷裂毀傷且約束邊界處發(fā)生邊界剪裂，中心斷裂會產(chǎn)生三條裂紋。 本項目的研究表明，等效沖擊加載實驗設(shè)備的研制能夠在一定程度上替代水下爆炸沖擊響應(yīng)實驗，使材料與結(jié)構(gòu)的水下爆炸沖擊響應(yīng)研究更加方便、安全，也更具可控性，將有力地促進水下爆炸沖擊下材料與結(jié)構(gòu)的動力學(xué)響應(yīng)研究，相關(guān)工作具有科學(xué)意義與應(yīng)用價值。 2100433B

第1章緒論

第2章爆炸荷載作用下鋼筋混凝土梁的毀傷模式研究

第3章爆炸荷載作用下鋼筋混凝土柱的毀傷模式研究

第4章爆炸荷載作用下鋼筋混凝土板的毀傷模式研究

第5章鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)內(nèi)部爆炸毀傷效應(yīng)研究

第6章爆炸荷載作用下鋼筋混凝土構(gòu)件毀傷評估方法

第7章總結(jié)和展望

彩色圖版 2100433B