考虑面力作用的HFR-LWC梁抗爆试验研究

实际工程中,面力作用会导致梁板构件的承载力提高以及破坏模式改变。为确切把握面力作用在爆炸加载全过程的变化规律及其对结构抗力的影响,该文进行了混杂纤维轻骨料混凝土（HFR-LWC）梁抗爆性能试验研究,得到爆炸荷载超压时程曲线及梁跨中位移、破坏模式等试验数据,结合端部约束刚度计算方法分析了面力作用对HFR-LWC梁抗力及破坏形态的影响规律。结果表明:试验装置可以合理模拟爆炸加载过程中梁构件的面力作用,是一套定量评估面力贡献的有效工具。面力作用能有效阻止纵向钢筋过早进入屈服状态,充分发挥混凝土的抗压性能,抑制裂缝的开展,有效减小梁的跨中位移,从而提高HFR-LWC梁的抗爆能力。     

爆炸荷载作用下钢筋混凝土梁板结构的面力效应

为了研究爆炸荷载作用下钢筋混凝土梁板结构的面力效应,该文在钢筋混凝土梁板结构面力效应的静力分析模型基础上,结合弹粘塑性应变速率本构模型,将面力效应的静力分析模型推广应用于动载作用情况,采用单自由度法建立了考虑面力效应的钢筋混凝土梁板结构的动抗力模型,并编制了计算程序,理论计算结果与试验数据吻合较好。此外,利用所提出的分析方法对抗爆结构中常见的典型核爆和化爆荷载作用下的荷载的加载速率、轴向约束刚度和配筋率等主要影响因素进行了分析讨论,并指出:钢筋混凝土结构的面力效应随着加载速率、边界约束强度的提高和配筋率的降低而增强;动抗力提高程度越大,塑性变形也越大。     

爆炸荷载作用下钢筋混凝土梁破坏形态有限元分析

在持续时间较长的爆炸荷载作用下,钢筋混凝土框架或梁通常会发生常见的弯曲破坏形态,但是在持续时间较短的爆炸荷载,如化学爆炸产生的脉冲荷载作用下,钢筋混凝土结构有可能在弯曲破坏发生之前产生剪切破坏。这种现象已被室内外试验所证实,其原因是脉冲荷载激发了结构中的剪力,从而使结构产生剪切破坏。为了预报钢筋单纯凝土梁在爆炸荷载下的响应破坏形态,本文提出了一种基于Ｔｉｍｏｓｈｅｎｋｏ梁理论的非线性分层梁有限元法。在材料模型中考虑了混凝土和钢盘的右面线性和应变速率效应等因素。应用这方法,本文计算分析了爆炸荷载作用下钢筋混凝土梁的动态响应以及弯曲、弯剪和剪切等不同的破坏形态,计算预报的结构动态响应和破坏形态与现场试验结果有较好的一致性。     

爆炸荷载作用下承重柱的弹性动力响应分析

为了建立爆炸荷载作用下承重柱构件的弹性动力响应分析方法,进一步奠定研究承重柱非线性抗爆响应和破坏形态的理论基础,该文将承重柱简化为承受轴向荷载的约束梁构件,并基于经典Timoshenko梁理论,通过建立等效频率矩阵、等效荷载向量矩阵以及修正的等效质量矩阵,采用变量分离法联立方程求解,推导出承受恒定轴力的Timoshenko梁在任意横向爆炸荷载作用下的弹性动力响应的解析解;并以此弹性解析方法为基础,进一步分析讨论了爆炸荷载作用下,长细比、初始轴向应变、端部约束条件及荷载参数等因素对承重柱弹性动态响应的影响,研究结果对钢柱或钢筋混凝土柱(RC柱)的抗爆分析与设计有参考作用。     

配筋对超高性能混凝土抗爆性能的影响

爆炸荷载作用下，超高性能混凝土(UHPC)防护结构的内部配筋形式对抗爆性能具有显著影响。该文利用数值方法研究不同配筋形式对超高性能钢筋混凝土抗爆性能的影响。使用试验结果验证数值建模方法和材料参数的可靠性，建立32个不同钢筋直径和间距的炸药-空气-UHPC-钢筋数值模型，通过分析结构的局部破坏和背爆面位移，给出近爆作用下不同配筋形式的超高性能钢筋混凝土结构抗爆特性。研究表明：不同配筋率下，钢筋-UHPC结构的动态损伤规律具有相似性；配筋率相同时，钢筋直径是影响结构抗爆性能的主要因素。局部加载时，采用细钢筋的UHPC结构抗爆性能优于粗钢筋，其中均匀布筋效果最优。而整体加载时，不同配筋方式的UHPC结构损伤差异较小。     

地表爆炸荷载作用下大型输水箱涵的毁伤评估及防护效应分析

随着我国跨区域调水工程的增多,箱涵结构的抗爆问题越来越受到重视。考虑爆炸荷载作用下混凝土的应变率效应、流体与固体间的耦合以及结构的非线性动态响应等复杂问题,基于Lagrangian-Eulerian耦合方法建了地表爆炸荷载作用下钢筋混凝土输水箱涵的全耦合模型。通过与已有的经验公式和现场爆炸试验进行对比,分别验证了土体地表爆炸模型和爆炸荷载作用下钢筋混凝土模型的可靠性;对比研究了有水和无水两种工况下箱涵的动力响应及毁伤发展过程,并分析了地表爆炸荷载作用下冲击波的传播特性;同时采用聚苯乙烯泡沫作为箱涵的防护材料,探讨了其对钢筋混凝土输水箱涵抗爆性能的影响。结果表明:突发地表爆炸荷载将对输水箱涵结构的安全性构成巨大的威胁;而在箱涵顶部铺设聚苯乙烯泡沫可以有效地提高其抗爆性能。     

爆炸荷载下钢管混凝土构件动态响应的数值模拟与试验验证

通过数值模拟和试验两种方法对爆炸荷载下钢管混凝土构件(CFST)的动态响应进行研究.首先基于LS-DYNA非线性有限元分析软件,采用多物质流固耦合方法,建立爆炸荷载下CFST数值模型;其次,设计三根钢管混凝土试件的爆炸罐内近距爆炸试验,并基于试验结果对数值模型的有效性及合理性进行了验证;最后总结爆炸荷载作用下CFST的破坏规律,并通过参数化分析方法,研究核心混凝土强度与钢管厚度对CFST抗爆性能的影响.结果表明:数值模拟方法能够有效合理地反应CFST在爆炸荷载作用下的动态响应,对比爆坑深度和测点加速度的模拟结果与试验结果,误差均在10％以内;近距离爆炸荷载下,CFST结构的破坏形式可分为4个阶段:迎爆面破坏、跨中弯曲变形、端部受拉、振动阶段;提高核心混凝土强度和增大钢管厚度都能改善CFST的抗爆性能,核心混凝土等级为C50、C70、C80的构件背爆面中心位置位移最大值相比于C30等级分别减小了2.3％、4.3％、5.3％,钢管厚度为4 mm、5 mm、6 mm的构件相比于3 mm钢管背爆面中心位置位移最大值分别减小了17.0％、28.6％、37.4％,钢管厚度对结构抗爆性能的改善效果更为明显.     

爆炸冲击荷载作用下框架柱简化分析模型研究

爆炸冲击荷载作用下结构的反应分析属于典型的动力学问题，由于爆炸冲击荷载作用位置的局部性和作用时间非常短暂，结构构件的抗爆分析与地震荷载作用下的动力分析有显著不同，结构构件抗爆分析具有明显的局部性，结构构件在爆炸冲击波荷载作用下的受力与整体结构关系不大，只与受力构件周围一定范围内的结构构件刚度有关，在爆炸冲击荷载作用下，可以把结构构件简化为考虑端部约束条件的单根杆件进行分析。本文以理论分析为基础、以ANSYS通用大型有限元分析软件为工具，研究了柱端约束条件对框架柱在爆炸空气冲击波作用下分析结果的影响，提出了一种框架柱抗爆分析计算的简化模型，对结构抗爆分析研究和设计具有指导意义。     

不确定爆炸荷载作用下钢梁的可靠度分析

通过对已有爆炸荷载预测公式、计算图表和试验的海量数据的统计分析,建立了作用于建筑结构上爆炸荷载的统计模型;以典型钢梁为研究对象,考虑材料强度和构件尺寸的不确定性,基于单自由度体系理论和蒙特卡洛方法,建立了不确定爆炸荷载作用下钢梁失效概率的计算方法,并开发了实用计算程序;分析了炸药质量以及爆炸荷载和结构材料属性的不确定性等对钢梁失效概率的影响。研究表明:炸药质量和比例距离是影响爆炸荷载作用下钢梁失效概率的重要因素,在建筑结构抗爆分析中,必须考虑爆炸荷载的不确定性。     

爆炸荷载作用下钢筋混凝土结构的动态响应与破坏模式的数值分析

在爆炸荷载(尤其是脉冲荷载)作用下,除了常见的弯曲破坏形态之外,钢筋混凝土结构还可能发生直剪破坏和弯剪破坏。如何准确地预测爆炸荷载作用下的钢筋混凝土结构动态响应和破坏特征是当前抗爆结构领域十分关注的课题之一。该文介绍作者近年来在这方面的一些研究成果,主要有:将三参数形式的应变速率型材料模型推广应用于二维状态下的混凝土本构关系,建立了弹粘塑性混凝土结构有限元分析方法;基于Timoshenko梁理论和弹粘塑性理论,分别采用有限差分法和有限元法,建立了土中浅埋钢筋混凝土结构动力响应和破坏模式的有限差分和有限元分析方法。对爆炸荷载作用下的典型钢筋混凝土结构计算结果表明:基于Timoshenko梁理论的有限差分分析方法和有限元分析方法能较好地模拟梁的动态响应和弯曲、弯剪以及直剪的破坏模式,而二维弹粘塑性混凝土结构有限元分析方法只能较好地模拟梁的弯曲破坏模式。     

RC beams under blast load: Reliability and sensitivity analysis

The effects of blast loading on structures can be very dangerous: damages and failures are expected with serious threats to structural safety and human life. Materials stresses and strains are often pushed to the limit and the modelling of these phenomena can be very complex. In order to design blast-resistant structures it is very important to determine what are the key parameters of this problem.This paper presents a reliability and parametric analysis of the response of reinforced concrete (RC) beams under blast loads. The main aim is to highlight the key parameters of the problem in order to produce information useful for the design of reliable blast-resistant RC structures.The beam has been idealised as an equivalent SDOF system, in which strain-rate effects are accounted for. This approach is convenient from a computational point of view and it has been validated by a direct comparison with a more sophisticated finite element model and with experimental results found in literature. Then a sensitivity analysis of the parameters involved in beam response under blast load has been developed. Slenderness (which has a direct effect on stiffness) and peak load prove to be the most important parameters, but span length (which has an important influence on the mass) is also a key parameter. Other variables such as concrete strength and reinforcement ratio do not seem to have a strong correlation with the beam response.     

火灾后钢管RPC柱近距离爆炸残余承载力研究

对梁-柱构件的轴向力和侧向爆炸荷载进行适当简化,提出了一种基于等效单自由度方法的近距离爆炸分析模型。首先对标准火灾和爆炸作用后的钢管活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete Filled Steel Tubular,简称钢管RPC）柱初始挠度进行估算,然后结合钢管混凝土统一理论给出残余承载力计算公式并对钢管RPC柱的爆炸损伤进行评估。通过大比例模型试验研究了标准火灾后钢管RPC柱的近距离爆炸残余承载力,分析受火时间和爆炸比例距离对残余承载力和破坏形态的影响。结果表明:理论计算结果与试验数据吻合较好,验证了该文计算模型的可靠性。钢管RPC柱的残余承载力损失范围为16%~67%,火灾和爆炸作用对钢管RPC柱承载力产生了不同程度的毁伤,且残余承载力对受火时间更为敏感。其中,仅受火105 min的钢管RPC柱承载力下降60%,而仅遭受爆炸作用的承载力下降16%;经历火灾作用再遭受爆炸荷载的钢管RPC柱承载力损失高达67%。对5根钢管RPC柱进行爆炸损伤评估: 1根为轻度破坏,2根为中度破坏,2根为重度破坏,表明钢管RPC柱具有良好的抗火性能和抗爆性能。     

爆炸荷载作用下钢制防护门的动力响应及抗力参数分析

以现有一典型梁板式钢制防护门为背景,利用ABAQUS有限元软件对其动力响应及抗力进行了评估,得出该门抗力满足设计要求,并留有一定冗余,进而又分析了骨架梁的存在,骨架梁的数量和布置方式,梁腹板的厚度和高度,梁翼缘板的厚度和宽度,上下面板的厚度,爆距、装药量和荷载作用时间等因素对防护门抗爆性能的影响规律,最后建立了较合理的工程计算模型,研究成果可为同类防护门设计与优化提供理论依据。     

单柱失效下结构连续倒塌的动力响应分析

该文提出了一种基于三折线结构抗力形式和升压平台形荷载函数的非线性单自由度模型,并推导了该模型的解析解,用于分析由单柱移除引起的连续倒塌过程中的结构瞬态动力响应。该模型可以涵盖各类抗力形式,包括抗力软化及大变形条件下的悬链作用,并考虑了柱子移除时间对动力响应的影响。钢筋混凝土和钢结构的梁柱子结构的动力试验结果与非线性单自由度模型计算所得到的动力响应结果（例如跨中位移）的对比表明:此模型可以准确地预测结构倒塌过程中结构的动力响应,计算速度快,准确性高,便于应用。     

Drift-controlled design of reinforced concrete frame structures under distant blast conditions—Part I: Theoretical basis

Proper control levels of lateral drifts anticipated for reinforced concrete (RC) frame structures within the predefined performance level become crucial when the frame structure is subjected to distant intense surface explosions. For this purpose, a new design method is presented in a two-part paper based on the transformation of a blast loading into an equivalent static force (ESF). The ESF is calculated in such a manner that the same maximum inter-storey drift ratio (MIDR) under the blast loading will be reproduced. The first part of the two-part paper focuses on the computational model of ESF for a single-degree-of-freedom (SDOF) system and the design method based on ESF with the requirement for controlling its maximum displacement response to achieve the specified target displacement. Numerical examples have been included to illustrate the method while the verifications of the dynamic responses of the designed SDOF system are performed with nonlinear dynamic analyzes. The numerical results indicate that the target displacement is well met for the designed SDOF system in resisting a given blast loading. Extension of the computational model of ESF and the corresponding design method with ESF for a SDOF system into a RC frame structure will be further discussed in the companion paper.     

Modelling of damage accumulation and failure of structural members subjected to strong seismic actions

Following the total Lagrangian approach, an incremental formulation for three-dimensional Timoshenko beam element taking into account large displacements and rotations is developed. For the failure analysis of reinforced concrete structural members, subjected to extreme loads, a new elastoplastic damage constitutive model is proposed on the level of cross-sectional variables. The model is based on the concept of the yield surface and associated flow rule. The effects of softening and strength deterioration are accounted for by the introduction of damage variables. To assure the objectivity of the numerical simulation a non-local treatment of damage variables is implemented. Comparison to different experimental results on biaxial cyclic tests is performed. Numerical results demonstrate that the proposed model effectively reproduces softening, strength deterioration, coupling between different components of the generalized force vector and other nonlinear effects accompanying the inelastic structural response under three-dimensional seismic loading.     

Experimental study on scaling of RC beams under close-in blast loading

Damage effects analysis and assessment of buildings under blast loading is an important problem concerned by the area of explosion accident analysis, blast-resistant design, anti-terrorist and military weapon design.The damage character of RC beam under close-in blast loading is investigated through experiments. The damage modes and damage levels of RC beams are studied under different blast loads. The results show that the spallation area increases with the decrease of the scaled distance. The concrete beams are prone to be damaged in flexure mode with concrete crushed on the front face, concrete spallation on the back surface and concrete flake off on the side surface. The scaling of the dynamic response of reinforced concrete beams subjected to close-in blast loadings is also studied. The test results showed a similar macrostructure damage and fracture in all experiment conditions. But the local damage degree of RC beams with smaller size has been reduced a little as compared with that of beams with larger size. Based on the results, empirical equations of the center deflection to height ratio are proposed to correct scaling model considering size effects.     

化爆作用下FRP加固RC板的试验研究及动力响应分析

我国20世纪60年代、70年代修建的大量防护工程抗力等级较低,急需进行加固补强。进行了化爆作用下,外贴FRP条带加固钢筋混凝土(RC)双向板抗爆性能的试验研究。按介质-结构相互作用理论确定结构的爆炸冲击荷载,建立了加固板的三折线弯曲抗力模型,利用虚功原理建立了加固RC板的运动微分方程,按数值方法求解了外贴FRP加固双向板在化爆冲击波作用下的动力响应时程,分析结果与试验结果吻合较好。研究结果表明:外贴FRP条带加固可以有效延缓混凝土的开裂、限制裂缝的开展,提高RC双向板的刚度,减小结构位移,减轻结构破坏程度,外贴FRP加固RC双向板的抗爆炸冲击波能力得到了明显提高,外贴FRP条带在极限状态时发生了剥离破坏和断裂破坏。