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.     

钢板夹泡沫铝组合板抗接触爆炸性能研究

鉴于泡沫铝材料优异的吸能特性和三明治型组合构件在强度、刚度上的优势,针对分层结构为钢板-泡沫铝芯层-钢板的100 mm厚抗爆组合板进行了装药量为1.0 kg TNT的接触爆炸试验,考察了组合板在接触爆炸条件下的变形及破坏情况,并对组合板的变形破坏过程进行了理论分析和数值模拟。研究表明,组合板承受接触爆炸荷载时,主要通过局部压缩变形和整体弯曲变形吸收耗散能量,上下面板与芯层间易发生剥离现象。钢板相同时适当增大泡沫铝芯层厚度,泡沫铝芯层相同时增加钢板厚度,均可减小组合板承受接触爆炸冲击荷载时产生的变形破坏,提高其抗爆性能。     

近爆作用下钢筋混凝土π梁防护性能的数值模拟

为研究钢筋混凝土π截面梁在近场爆炸荷载作用下的防护方法,采用ANSYS/LS-DYNA建立π梁爆炸数值模型,结合现场爆炸试验结果,对π梁在爆炸荷载作用下的破坏形态进行对比分析,验证数值模型的准确性.通过π梁在近爆荷载下采用不同防护层进行模拟分析,对π梁在不同防护工况下冲击波超压峰值分布规律、结构耗能规律、防护后π梁的破...     

钢板夹泡沫铝组合板抗爆性能研究

鉴于泡沫铝材料优异的吸能特性和夹层结构在强度、刚度上的优势,提出了分层结构为钢板-泡沫铝芯层-钢板的抗爆组合板。对厚度为10 cm、7 cm和5 cm的组合板进行了5组不同装药量的爆炸试验,考察了各板在不同装药量爆炸条件下的变形及破坏情况,并对变形破坏过程进行了理论分析。研究表明:组合板承受爆炸冲击荷载时,通过局部压缩变形和整体弯曲变形吸收能量。钢板相同时,适当增大泡沫铝芯层厚度,增强面板与芯层间连接,可提高该组合板的抗爆性能,防止组合板发生剥离,减小其承受爆炸冲击荷载时产生的变形。     

泡沫铝夹芯结构在油气爆炸荷载作用下的抗爆性能试验研究

为研究泡沫铝夹芯结构对油气爆炸冲击波的衰减性能及影响其性能的因素,设计一种试验测试系统。在模拟坑道内,点燃混合均匀的油气混合物获取爆炸荷载,并通过调节油气浓度比例来控制爆炸荷载大小,对油气爆炸荷载作用下泡沫铝夹芯结构的防护性能进行定量分析。结果表明,当泡沫铝芯层厚度≥10 mm时,泡沫铝夹芯结构对油气爆炸冲击波的衰减效果优于实体金属结构;泡沫铝夹芯结构对油气爆炸冲击波的衰减效果随芯层厚度的增加而提升,但衰减效率呈逐渐减小趋势,试验得出的芯层最优厚度下限为16 mm。     

固支圆形泡沫铝夹芯板在爆炸作用下变形研究

为研究泡沫铝夹芯板(简称"AFSP")的抗爆特性及其与泡沫铝板或实体金属板抗爆性能差异,对3种固支圆形板在钢管内油气混合物点火产生的爆炸荷载作用下残余变形进行试验研究。主要分析泡沫铝板在爆炸荷载下破坏特点、相同荷载条件下AFSP与实体金属板残余变形大小差异、面板材质与芯材厚度的变化对AFSP残余变形的影响等。试验结果显示:单独泡沫铝板在爆炸荷载作用下易发生整体剪切破坏;与实体板相比,芯材厚度为16 mm的AFSP在质量仅增加25.9%的条件下,残余变形减小48.5%;同载同重的钢面板较不锈钢面板AFSP的残余变形量减小30.7%;AFSP的芯材厚度由8 mm增加至16 mm,在荷载稍有增加时,残余变形反而减少了51.6%。AFSP较相同重量的实体金属板具有更好抵抗爆炸荷载的能力,AFSP的芯材厚度与面板材料是影响其抗爆性能的两个重要因素,AFSP是一种具有较好抗爆性能的复合材料。     

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。     

两端固支泡沫铝夹芯梁在冲击荷载作用下的动力响应

提出两端固支泡沫铝夹芯梁在跨中受到冲击荷载作用下动力响应的简化理论计算方法。运用该方法及有限元软件LS-DYNA分别计算了泡沫铝夹芯梁在冲击荷载作用下的动力响应,着重考查了面板材料及芯材厚度对泡沫铝夹芯梁跨中位移的影响情况。并通过试验测量结果对理论计算结果及数值模拟结果进行了验证。研究显示,在不同冲量作用下,泡沫铝夹芯梁跨中位移理论值与实验结果两者符合程度较好,最大误差仅为14%;HRB335级钢面板泡沫铝夹芯梁较304#不锈钢面板泡沫铝夹芯梁在相同冲量作用下具有更小的跨中位移;芯材厚度的增加对提高泡沫铝夹芯梁抵抗冲击荷载的性能也有一定的贡献,夹芯梁芯材厚度由10mm增加至20mm,其跨中位移减小了33%左右。     

近场爆炸时混凝土桥墩的动力响应分析

为研究爆炸荷载作用时混凝土桥墩的动力响应,基于爆炸基本理论,开展近爆作用下混凝土桥墩的数值模拟与破坏模式研究,并通过方柱墩与圆柱墩对比、墩柱配筋方式与爆心位置变化等分析墩柱底部的水平位移和水平速度时程变化,进而研究墩柱的抗爆性能与破坏形态。研究结果表明:同等条件下圆形墩柱的抗爆能力要优于方形墩柱;爆炸荷载作用下墩柱纵向主筋的配置可改变墩柱的破坏形态,且墩柱底部的抗剪能力主要靠纵向主筋提供,箍筋的抗爆作用有限;近场爆炸时地基对墩柱底部的约束作用明显,进行墩柱抗爆设计时,可以结合基于性能的抗震理论实现墩柱底部的塑性铰设计。     

泡沫金属子弹撞击载荷下多孔金属夹芯板的动态响应

应用泡沫金属子弹撞击加载的方式研究了固支多孔金属夹芯板的塑性动力响应。讨论了多孔金属夹芯板在冲击载荷作用下的破坏模式。结果表明夹芯板的破坏主要表现在前面板的压痕与侵彻失效,芯层压缩和芯层剪切破坏。基于实验研究,应用LS-DYNA 3D非线性动力学有限元分析软件对夹芯板动力响应进行了有限元分析。数值研究结果与实验结果吻合较好。考察了加载冲量、面板厚度、芯层厚度及相对密度对多孔金属夹芯板抗撞击性能的影响。夹芯板的结构响应对其结构配置比较敏感,增加面板厚度或芯层厚度能够明显地减小后面板的挠度,提高夹芯板的抗撞击能力。研究结果对多孔金属夹芯板的优化设计具有一定得参考价值。