点支式夹层玻璃幕墙爆炸试验研究及有限元分析

为研究点支式夹层玻璃幕墙的抗爆性能,完成了2种夹层玻璃厚度、TNT装药量从0.4~30 kg的共9组野外爆炸试验,研究了不同装药量下的超压响应、玻璃幕墙的位移响应和破坏模式。系列爆炸试验结果表明,爆炸发生后超压迅速升至峰值,并在几毫秒内衰减;夹层玻璃的位移响应随着TNT装药量的增加而增大,增加玻璃厚度可有效降低夹层玻璃的位移响应;点支式玻璃幕墙的破坏模式为PVB夹层在点支孔处撕裂从而导致玻璃面板破坏,此时钢化玻璃已碎成颗粒附着在PVB上,但不发生飞溅。同时,采用动力非线性有限元方法分析爆炸试验,有限元模拟获得的中心点最大位移与试验结果差别在35%内;有限元分析发现玻璃面板在点支孔处有明显的应力集中现象,从而导致点支孔处发生破坏,所得破坏模式与试验结果一致。     

框支式SGP夹层玻璃抗爆性能研究

为研究框支式SGP夹层玻璃的抗爆性能，通过场地爆炸试验和动力非线性有限元分析，对框支式SGP夹层玻璃在爆炸作用下的动态响应特性及破坏模式进行研究。通过场地爆炸试验及三维DIC分析，获得爆炸超压时程曲线、面板的破坏模式和动态位移场。试验结果表明：爆炸作用下框支式SGP夹层玻璃的破碎后裂纹分布主要表现为对角线X形裂纹和靠近边框区域的环形裂纹；由于爆炸负压在面板的反向振动阶段做正功，面板的反向位移峰值将显著大于正向位移峰值，并可能导致回弹破坏。采用LS-DYNA软件，建立爆炸作用下框支式SGP夹层玻璃受爆响应的三维有限元模型，进一步分析爆炸负压区对面板动态响应的影响。有限元分析结果表明，当爆炸正压持时t_d与面板自振周期T₀处于同一数量级时(0.1d/T₀<10),忽略爆炸负压区会显著低估夹层玻璃的反向位移峰值，且无法预测回弹破坏，从而高估其抗爆性能，导致设计偏于不安全。     

建筑夹层玻璃在冲击荷载下的破坏研究概述

世界各地恐怖主义爆炸袭击和各种爆炸事件呈上升趋势,爆炸给人类及建筑物造成极大的伤害和破坏。据统计,爆炸中大多数人员伤亡是由建筑玻璃破碎的碎片造成的。目前已对建筑夹层玻璃在冲击等荷载下的破坏强度、动力响应、安全性及经济性等方面进行了某些研究,有关其在爆炸冲击荷载下的性能研究还处于初步阶段,试验和有限元数值模拟成为其主要研究手段。对抗爆玻璃性能、研究分析方法及冲击荷载作用下建筑夹层玻璃的破坏研究现状做了较全面的综述。     

四边简支玻璃面板模爆法的试验研究

针对幕墙玻璃的结构特点,分别对四边简支的单片钢化玻璃面板、夹胶钢化玻璃面板和夹胶中空钢化玻璃面板进行了爆炸冲击荷载作用下的动力响应试验。试验研究了不同玻璃面板的破坏形式,以及不同爆炸冲击波的压力峰值和作用时间对玻璃面板破坏特征的影响。     

基于近场动力学的落锤冲击PVB夹层玻璃数值模拟

为了研究聚乙烯醇缩丁醛夹层玻璃(PVB夹层玻璃)在刚性冲击下的破坏模式和力学响应,采用基于近场动力学的键基PD模型模拟落锤冲击作用下的冲击力的变化情况及玻璃裂纹开展,并与试验结果进行对比验证;通过改变上、下玻璃层厚度、PVB胶层厚度及冲击初速度,系统研究PVB夹层玻璃的裂纹扩展规律和耗能特性。结果表明：键基PD模型可以很好地再现PVB夹层玻璃断裂失效和裂纹扩展行为,和试验吻合度很高;玻璃厚度越厚抗冲击性能和耗能能力越强,下玻璃层厚度影响大于上玻璃层厚度影响。随着PVB胶层厚度的增加,PVB夹层玻璃抗冲击性能以及耗能能力随之增加。同等条件下,增大PVB胶层厚度,能有效增加玻璃的耗能能力,取得较大的单位厚度耗能比,但PVB胶层厚度大于1.14mm后增幅变小。保持冲击能量不变,增大落锤的冲击初速度,明显改变了PVB夹层玻璃的破坏模式,其抗冲击性能和玻璃耗能也随之增加。     

爆炸荷载作用下饱和土中隧道的瞬态动力响应

用解析方法研究了爆炸荷载作用下饱和土中圆形隧道的动力响应问题。模型假定饱和土体中的圆形隧道中心处发生爆炸,爆炸荷载采用简化形式,衬砌运动方程基于Flügge壳体理论,饱和土采用Biot波动方程,通过引入两个势函数,在Laplace变换域中推导了爆炸荷载作用下圆形隧道位移和应力响应的表达式。利用Laplace数值逆变换得到爆炸荷载作用下衬砌与土体的时域计算结果,分析了排水条件对位移、应力变化的影响,并讨论了饱和土参数、衬砌和土的相对刚度的影响。数值结果表明,爆炸荷载作用下,不排水条件下应力和位移的响应幅值比排水条件下有所增大;饱和土参数
对土体应力的幅值有明显的影响;衬砌与土的相对刚度越大,土体位移和应力响应的幅值越小,衰减的速度也越快。     

不同方向爆炸荷载作用下地下洞室抗爆效果研究

基于抗爆模型试验结果,利用数值分析方法,研究不同方向爆炸荷载作用下地下洞室的抗爆效果。通过对比分析地下洞室爆炸压应力时程曲线和动态裂纹分布形态,发现数值分析和试验的应力波曲线和锚固洞室围岩动态裂纹分布比较相似,这说明数值分析的结果比较合理。锚固洞室在相同当量爆炸荷载作用下,顶爆产生的位移最小,其次拱部侧爆,最大是直墙侧爆,并且直墙侧爆产生最大位移的位置是侧墙墙底,而不是离爆源最近的洞壁位置。在爆炸荷载作用,由于锚杆加固作用,在锚杆间发生受拉"劈裂",同时还在锚固区内以及锚固区末端发生"层裂"现象。在相同当量顶爆、拱部侧爆和直墙侧爆作用下,毛洞和锚固洞室的位移和动态裂纹分布形态相似,经过锚杆加固的洞室抗爆能力都得到提高。     

点支式钢化玻璃在循环荷载下的试验研究

为研究四点支承玻璃面板在循环荷载下的力学性能,对11块采用浮头式驳接头连接方式的钢化玻璃面板,进行施加面外均布循环荷载的破坏试验,对整个循环荷载作用下玻璃面板关键点的动静态应力变化进行测量。试验表明,钢化玻璃在循环荷载作用下的荷载-应力呈线性关系,随着循环次数的增加,板内应力略有变化,表现为高脆性破坏。     

爆炸荷载作用下全玻幕墙动力放大因子求解

目前GB 50009-2012《建筑结构荷载规范》对爆炸荷载的动力放大系数没有明确的说明,要求我们根据动力分析结果确定。为了得到作用在全玻幕墙上的爆炸荷载动力放大系数,本文以天津港爆炸事故为背景,依据荷载规范,运用SAP2000有限元对爆炸荷载作用下全玻幕墙的动力响应进行时程分析,得到动力和静力荷载作用下玻璃肋的最大变形和应力,通过比较不同距离处玻璃肋的最大应力和变形得到爆炸荷载的动力放大系数为1.6,可为全玻幕墙的抗爆设计提供了理论依据。     

爆炸荷载作用下工字钢梁非线性有限元分析

利用大型通用有限元软件ABAQUS对工字钢梁在爆炸荷载作用下的动力响应进行数值计算,分析过程中考虑了应变速率对钢材性能的影响。通过调整爆炸荷载的施加方式和工字钢梁支座边界等参数,得到了爆炸荷载作用下,工字钢梁在不同条件下的跨中位移响应、破坏形态、跨中Mises应力变化与时间的关系和梁中塑性耗散能的变化,并对结果进行了分析比较。     

点支式中空和夹层玻璃承载性能的试验研究

本文分别对点支式中空和夹层玻璃进行了承载性能试验,得出了点支式中空和夹层玻璃的荷载-位移及荷载-应力曲线以及点支式夹层玻璃在一定荷载作用下位移和应力随时间变化的关系曲线。试验结果表明:点支式中空玻璃和夹层玻璃随着荷载的增加,荷载-位移、荷载-应力变化曲线接近于线性;现行国家规程关于点支式中空玻璃和夹层玻璃位移和应力的计算值大于试验值,偏于保守。对规程有关点支式中空玻璃和夹层玻璃厚度取值的问题做进一步探讨是完全必要的;点支式夹层玻璃的位移和应力受荷载持续时间的影响较大。本文的试验结果可为规程的修订和工程设计提供参考。     

顶爆作用下地下大跨度硐室抗爆性能研究

钻地武器爆炸荷载下地下工事的稳定是保障军事和物资储备安全的前提。通过物理模型试验和数值模拟相结合的方法,研究了顶爆作用下大跨度地下硐室的抗爆性能。研究结果表明:随着爆心距的增加,压应力峰值和位移峰值均逐渐降低,加速度响应主要发生在前20 ms;8 g TNT当量顶爆荷载作用下,爆点附近围岩破坏严重,硐室拱顶内壁出现轻微纵向裂缝,总体保持稳定;随着爆压峰值的增大,硐室变形逐渐增大,塑性区逐渐由爆腔向硐室扩展,衬砌结构的塑性区破坏范围也同步增大。根据硐室动态响应规律,可以针对硐室上方围岩和拱脚进行锚杆锚索加固,从而提高硐室的抗爆性能。研究结果可以为大跨度地下硐室抗爆设计提供有益借鉴。     

拱脚局部加长锚杆锚固洞室抗爆模型试验研究

 根据Froude相似理论,开展拱脚局部加长锚杆和等长锚杆加固洞室抗爆对比模型试验,分析各洞室受力变形特性和围岩破坏形态。研究结果表明：与等长锚杆相比,在爆心离洞室很近的极端情况下,拱脚局部加长锚杆起到“密闭”爆炸荷载的作用,增大洞室拱部的爆炸荷载,带来洞室拱顶底板相对位移的快速增长;在爆心离洞室较远的一般情况下,拱脚局部加长锚杆具有承担或转移较多爆炸荷载的作用,不仅能明显减小洞室附近的爆炸压力、洞室拱顶底板相对位移、拱脚压应变峰值和残余值,而且还能明显减少和减轻围岩裂缝数量和开裂程度,有效阻断裂缝的发展和延伸,有利于提高洞室的抗爆能力。     

初始应力对应力波传播及块体运动规律影响研究

 借助理论模型和试验测试结果分析初始应力对岩石弹性波速的影响,运用数值模拟手段对比研究爆炸扰动作用下不同初始应力时的应力波形状,包括质点应力、位移和速度,得到初始应力对应力波传播影响的一般规律。建立构造块体在爆炸扰动下的运动模型,通过对模型的计算和分析,研究不同初始应力下单个块体的相对位移。研究结果表明：(1) 在低初始应力下,岩石中的弹性波速随压力增大而迅速增大,增大的梯度在低应力下较高,在高应力下趋于一常数值;(2) 当初始应力增大时,相同距离处的峰值径向应力和峰值位移会降低,而且衰减较快,波形变窄;(3) 块体间的相对位移与初始应力的大小成反比。     

点支式钢化玻璃火灾下受力性能试验研究

为研究单层索网点支式玻璃幕墙中点支式单片、中空和夹胶钢化玻璃在火灾下的破裂过程,分别对点支式单片、中空和夹胶等3组开孔钢化玻璃进行了相同火灾条件下的负载试验研究。重点考察试验过程中玻璃位移随温度的发展情况、玻璃的破坏模式和破坏时间,以及其破裂过程等。通过将试验数据与相同类型的不开孔玻璃进行对比,研究了角部开孔对钢化玻璃在火灾下受力性能和破裂过程的影响。结果表明：火灾下,玻璃由于受热膨胀不均匀在表面产生的拉应力是其破坏的主要原因;玻璃面板承受的均布荷载将在玻璃内部产生荷载应力,并导致其面外变形增大;玻璃开孔,使其在四角点孔洞边缘形成大量微裂纹,造成玻璃面板孔边材料强度下降和应力集中,加剧了玻璃的破坏;点支式玻璃面板的固定支座约束限制了四边变形,加快了其中心点位移的增长。     

内源爆炸荷载作用下无限弹性土体中圆柱形衬砌隧道的瞬态响应解答

内源爆炸荷载产生的振动响应对地下衬砌隧洞的安全非常重要。采用Fourier变换和Laplace变换,推导出内源爆炸荷载作用下无限弹性空间中圆柱形衬砌孔洞的瞬态动力响应无量纲解答,利用Fourier和Laplace逆变换数值方法,计算分析内爆炸荷载产生的振动在衬砌和周围弹性介质中的分布和传播衰减规律。计算结果表明,爆源中心处衬砌内表面径向位移、切向应力和衬砌外表面土体径向位移、切向应力最大,向左右两侧迅速衰减,在6倍衬砌内径处衰减为0;衬砌内表面径向位移、切向应力和衬砌外表面土体径向位移、切向应力时程曲线峰值爆源中心处最大,离爆源中心越远,峰值越小,且在t~*=10时衰减为0。     

单向带抗剪键叠合板的力学性能及设计方法

针对现有钢筋桁架叠合板钢筋用量多、成本偏高的不足,提出了一种新型带混凝土抗剪键的叠合板,并通过对1块现浇板和6块叠合板的静力加载试验,分析了有无抗剪键、抗剪键沿横向个数和抗剪键结构形式对叠合板力学性能的影响。采用有限元软件ABAQUS模拟了试验中部分试件的受力过程,验证了有限元模拟方法的可行性。结果表明:与无抗剪键叠合板相比,设置一定数量抗剪键的叠合板和现浇板力学性能相近; 抗剪键个数越多,叠合板的极限承载力与现浇板越接近,其破坏特征也与现浇板基本相同; 不同结构形式的抗剪键均能保证预制底板与现浇层间的有效连接; 预制底板与现浇层的接触面间采用绑定接触时有限元模拟结果与试验结果更加接近; 考虑到结构设计的可靠性,在有限元模拟过程中,当叠合板的预制底板与现浇层间设置为摩擦接触时,改变抗剪键沿横向个数、抗剪键沿纵向个数和抗剪键截面面积,叠合板的屈服荷载和屈服位移均发生变化,但当三者增加到一定程度时,变化趋势不再明显; 改变现浇层混凝土强度等级、抗剪键混凝土强度等级和接触面摩擦因数,叠合板的屈服荷载和屈服位移基本未发生变化; 建立了带抗剪键叠合板的抗弯承载力和屈服位移简化计算式。     

岩石节理直剪试验颗粒流宏细观分析

 基于颗粒流理论和PFC程序,在解决建模过程中悬浮颗粒的消除、恒定法向荷载伺服机制的施加、拟静力加载状态的选取等问题后,较为完善地实现岩石节理PFC数值直剪试验,并分别从宏观和细观角度深入探讨节理在直剪试验过程中的力学演化特征和破坏机制。结合已有的节理直剪试验成果,进行室内试验和计算结果的对比分析,验证计算方法的可靠性。研究成果如下：(1) 随恒定法向荷载的增大,剪切应力及其峰值时刻的剪切位移增大,节理面上黏结破坏颗粒增多,而剪切阻抗和节理剪胀效应却降低;(2) 随剪切位移的增加,节理面上粒间法向接触数不断减少,接触矢量方向逐渐向剪切荷载施加方向偏转,而粒间接触压力不断增大,裂纹不断沿节理面附近产生,破裂频数在剪切应力达到峰值时最为强烈;(3) 数值试验得到的剪切阻抗值普遍高于试验值,但减小模型颗粒半径可有效降低计算剪切阻抗值。室内试验和计算结果对比分析表明,新提出的颗粒流计算方法非常适用于岩石节理直剪试验的数值模拟,可为室内节理直剪试验和PFC节理模型细观力学参数选取的深入研究提供有益的参考。     

埋地管线在爆炸地冲击作用下的数值模拟

常规武器钻地或地面爆炸地冲击作用下引起埋地管线上动应力如何计算及其是否安全,是一个值得研究的问题.利用LS-DYNA3D有限元程序,运用非线性动力学基本理论和算法,适当选取材料本构关系,对TNT药柱钻地和地面爆炸地冲击作用下引起埋地管线上动力响应问题,进行了数值模拟分析,得出了正对爆心的埋地管段背面部分易遭到材料受拉破坏,且受力过程是瞬态受力过程的结论.模拟计算结果与实验结果较为吻合,表明文中采用的数值模拟方法研究爆炸地冲击对埋地管线的作用是可行的.