爆炸荷载下钢箱梁桥动力响应机理与关键参数研究∗

为了探讨钢箱梁桥在爆炸荷载下的动力响应机理及关键参数对其影响规律,基于流固耦合方法,建立了钢箱梁桥、空气和炸药有限元模型,分析了爆炸荷载下钢箱梁桥动力响应机理。随后针对钢箱梁桥的关键参数,分析了各参数对钢箱梁桥的动力响应影响灵敏度,提出了钢箱梁桥在抗爆设计时参数选取规律。研究结果表明：在爆炸荷载作用下,钢箱梁桥的破坏主要分为三阶段。钢材性能由 Q345 提高为 907A 钢,钢箱梁桥的凹坑深度和塑性变形区面积减小了 33.91% 和 27.93%;截面形式和爆炸位置两个关键参数的改变涉及纵横隔板对主要迎爆区薄弱位置的加固,能够明显提高钢箱梁桥的抗爆能力。比例距离 0.1 m/kg^1/3 ,爆炸位置相同,约束形式由简支改为固支,对钢箱梁桥抗爆性能提升几乎无影响。     

爆炸荷载作用下方钢管混凝土柱的动力响应及破坏机理

方钢管混凝土柱是被广泛采用的组合构件之一.爆炸发生时产生的爆炸冲击波可能会对框架结构内部的方钢管混凝土拄造成严重破坏,然而目前对其动力响应及破坏机理的研究成果相对较少.本文采用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA对爆炸荷载作用下方钢管混凝土柱的动力响应和破坏机理进行了研究分析.建立了方钢管混凝土拄实体有限元模型,其...     

爆炸荷载作用下砌体结构响应的有限元分析

对墙体模型进行简化,用单个混凝土砖块宽度的墙来代替所要分析的整面墙,并采用有限元分析软件LS-DYNA对砌体墙的破坏模式进行数值模拟分析。LS-DYNA的数值模拟结果显示,混凝土砌体墙在不同爆炸荷载作用下会发生不同程度的破坏,破坏的产生首先从墙体中部开始;随着爆炸荷载峰值的提高,砌体墙的破坏逐渐由中间向两端发展,当爆炸荷载峰值压力达到0.36 MPa及以上时,墙体会发生破坏,有块体飞出,并在重力作用下发生倒塌。数值模拟的结果与文献提供的试验结果比较吻合。     

燃气爆炸作用下地下综合管廊动力响应模拟

针对地下综合管廊结构的抗爆性能,依托某工程实例,建立综合管廊结构在燃气爆炸荷载作用下的三维有限元模型,确定燃气爆炸荷载曲线及其在地下管廊上的加载方式,分析了地下管廊在燃气爆炸荷载作用下的动力响应,讨论了燃气爆炸荷载峰值、持时等主要参数对地下管廊衬砌动力破坏特征的影响。结果表明,燃气爆炸荷载作用下,管廊衬砌的损伤破坏具有局部性和弱传递性;当超压峰值小于0.2 MPa,管廊损伤程度不大;随燃气爆炸荷载峰值的增大,管廊衬砌的损伤程度逐渐加重,达到0.7 MPa时,即便较短持时,燃气室也将出现明显破坏;随燃气爆炸荷载持时的增大,管廊结构损伤破坏加重;相同冲量时,荷载达到峰值时间越短,管廊衬砌的损坏范围和损伤程度越大。     

地铁振动荷载作用下场地动力响应及振动衰减规律研究∗

地铁列车运行引起的场地振动对临近建筑、精密仪器等带来不可忽视的影响。为了研究场地在地铁运行振动荷载作用下的动力响应规律,基于 ABAQUS 软件建立了地铁隧道?土相互作用系统的二维有限元模型,并通过现场试验监测数据验证了模型的有效性。在此基础上,通过对场地表面振动峰值速度和加速度时程分析,研究了隧道埋置深度、土体阻尼比、土体不均匀性对场地地表振动特性及衰减规律的影响。研究结果表明：在一定范围内,土体表面的动力响应随着隧道埋置深度、土体阻尼比的增大而减小;不同土质条件下的场地地表的动力响应有一定的差别,但随着距离的增大,差别逐渐缩小。基于上述参数分析,采用 MATLAB 对峰值速度衰减曲线进行拟合,给出了场地振动衰减预测公式,可为振动敏感建筑场地的选择提供参考。     

地下拱结构抗爆研究进展与展望

防护工程在战时能有效抵御打击并保存有生力量,历来是国家防御和威慑力量的重要组成部分。与地上防护工程相比,构筑在岩土介质中的地下防护工程具有更强的防护能力。然而,随着科学技术的发展,高技术武器和精确制导武器的命中精度、侵彻深度和毁伤能力不断增强,对地下防护工程构成严重威胁。拱结构具有优异的力学性能,在地下防护工程中应用十分广泛,研究地下拱结构的抗爆性能对地下防护工程建设与发展具有重要意义。地下拱结构的抗爆问题涉及岩土介质中的爆炸冲击效应、岩土介质与拱结构的相互作用以及拱结构的动力响应与破坏机理等复杂的研究内容。国内外学者通过试验、数值仿真和理论分析等方法对爆炸荷载作用下地下拱结构的动力响应开展了较为系统的研究,取得了丰富的科研成果。从地下拱结构抗爆试验、数值模拟研究以及抗爆动力学理论三个方面讨论了地下拱结构抗爆研究进展,结合研究现状,指出未来应结合地下防护工程向深埋地、大跨度发展的趋势,加强地下拱结构原型和大比例模型结构抗爆试验、精细化数值模拟分析以及兼顾精度与实用的计算方法研究。     

爆炸冲击作用下H型钢柱损伤等级快速评估

随着燃油气的广泛使用,爆炸事件屡有发生,对建筑结构安全产生了巨大威胁。我国现行的爆炸灾损结构安全性鉴定方法以剩余承载力为指标确定其损伤等级,实际可操作性不强。针对这一问题,以《热轧H型钢和剖分T型钢》 中常用规格H型钢为研究对象,应用有限元程序LS-DYNA,建立钢结构爆炸损伤分析的有限元模型,分析了钢柱水平位移及剩余承载力。通过引入剩余承载力系数K与相对挠度ωR的概念,基于数值模拟结果研究了H型钢柱在爆炸荷载作用下的剩余承载力系数K与相对挠度ωR的关系,据此提出了钢柱受损的判定依据并划分了损伤性等级。相较现有钢柱损伤等级划分方法更具可操作性。     

爆炸荷载下土石坝动力响应特征的数值模拟

土石坝在爆炸荷载下的力学响应是一个非常复杂的力学问题,相关研究甚少。在LS-DYNA软件框架内,以两河口土石坝为研究对象,把坝体材料简化为混凝土、心墙、反滤层与堆石体等4种,用500 kg TNT在坝顶接触爆炸时的瞬态荷载作为荷载源,针对不同材料建立适合于爆炸高加载率特征的本构模型,用数值方法分析了土石坝在潜在爆炸荷载下的破坏与损伤演化规律。结果表明,在爆炸荷载作用下,由于土石坝材料组成的多样性,应力波传播规律异常复杂,土石坝的力学响应呈现出显著的分区特征。     

地铁动荷载作用下隧道-地裂缝-地层的三维动力响应

为了探明西安地裂缝场地地铁动荷载作用下的隧道-地层动力响应特征,提出了基于ABAQUS的地铁振动响应三维模拟方法,实现了地铁多轮对荷载的移动。通过有限元计算,得到了整体式隧道的振动响应特征和振动波在地裂缝场地的传播规律,并将有无地裂缝时的振动响应进行了对比,分析了地裂缝对振动响应的影响。计算表明:单节车辆诱发振动沿纵向的影响范围不超过75 m;地铁运行诱发的振动以竖向为主,振动沿横向传播时水平振动衰减较慢;在本次模拟工况下,地裂缝的存在对地裂缝邻近约12 m范围内土体的振动影响较大,对衬砌结构的影响不显著。     

动荷载作用下地下岩体洞室应力特征的影响因素分析

用FLAC3D初步分析了动荷载作用下埋深、洞室形状、地应力特征对地下岩体洞室应力特征的影响。分析结果表明:动荷载下,随着埋深的增加,各种洞型应力量值有明显的减小趋势;地应力状态对地形洞室的应力响应有较明显的影响,在自重地应力为主的情况下,洞室拱顶、拱底地最小主应力处于拉应力状态,而构造地应力为主的情况下,洞室拱顶、拱底最小主应力处于压应力状态,且随着侧压系数的增加,洞室的应力由较明显的减小趋势;动荷载作用下,不同断面形状的洞型应力响应有一定区别,圆形洞室应力响应最小,矩形洞室应力响应最大,随埋深、地应力的增加,洞形对洞室应力响应影响减小,当埋深超过300 m后,洞型对应力的影响变化程度不大。     

火灾下约束钢柱临界温度的参数分析

利用经实验验证过的ABAQUS有限元模型对轴力和弯矩共同作用下的约束钢柱进行了参数分析。以钢柱的屈曲温度和临界温度作为主要的评价指标,主要考虑了轴力荷载比、弯矩荷载比、轴向约束刚度比、转动约束刚度比、长细比和钢柱端部弯矩比等参数的影响,并且对不同参数之间的耦合性进行了分析。参数分析结果表明,轴向约束刚度的增大将会明显降低约束钢柱的屈曲温度,但是对其临界温度的影响相对较小;端部弯矩比对钢柱的临界温度影响很小;当钢柱的轴力荷载比和弯矩荷载比较小、轴向约束刚度比和长细比较大时,考虑屈曲后性能可以显著提高钢柱的抗火能力。     

爆炸荷载作用下岩石的变形与破坏研究（I）

无论是矿山工程、隧道工程中钻孔爆破效率的提高、工程爆破领域爆破振动参数的预测，还是最近一系列高技术常规局部战争中粘地炸弹对地下坚固目标的破坏，在不考虑岩石中强爆炸引起的光子和电磁辐射等极端效应情况下，都亟待要求对岩石中爆炸引起的应力、变形及其它运动参数和破坏效应作出比较准确的评估。目前对此问题的研究尚只能达到大致的机理及景象的定性认识和描述，定量上的确定存在数量级的误差，尤其是爆炸和冲击的近区。误差更大。其原因在于岩石中爆炸产生的变形和破坏特征，不仅与作用时发生相应的物理及力学运动密切相关，而且强烈地受岩石自身构造缺陷水平及其变化的制约。本文概迷了爆炸作用下岩石的动力变形与破坏研究之现状。研究中考虑了岩石的构造特点及其对基本力学性状的影响，并简述了其研究的新趋向。     

与地裂缝正交马蹄形地铁隧道动力响应模拟分析

在地铁隧道—地裂缝动力相互作用模型试验中,拟采用点荷载的加载方式。为了合理制定模型试验加载方案,建立了点荷载和移动荷载2种加载方式下,与地裂缝正交的马蹄形隧道—地裂缝—地层动力相互作用的数值模型。通过对2种加载方式下的拱底土层竖向最大位移、土层最大加速度分布、土层加速度时程以及衬砌加速度时程进行对比分析,可以得出在2种加载方式下,拱底竖向最大位移、土层加速度分布、土层加速度时程以及衬砌加速度时程在分布上有相近的规律,从而说明了在模型试验中,可以用点荷载加载方式来代替移动荷载,为模型试验提供了依据。     

风荷载作用下的土-结构动力特性分析

结构的动力特性直接影响到动力荷载的作用效应。动力特性分析中,土体的影响不可忽视。与地震荷载不同,动风荷载自结构向土体传播,土体的惯性力可以忽略。无质量地基法可以满足针对风荷载的土-结构动力分析的要求。本文首先推导土-结构动力相互作用的运动方程,在此基础上,以剪力墙箱型基础结构为基本分析对象,确定有限地基域的范围,分析土-结构整体动力特性。认为:足够的基础埋深,可以有效控制建筑物的摆动;为控制建筑物的动力特性,可以采取措施适当使地基土增加一定的刚度;如何在上部结构的质量和刚度之间建立对应关系以控制土-结构系统的动力特性,有待进一步研究。     

基于瞬态分析法的预应力与非预应力钢筋混凝土梁动力响应对比分析*

提出了基于瞬态动力分析完全法的预应力钢筋混凝土梁爆炸冲击模拟方法,并采用已有试验结果验证了方法的合理性,进一步对比探讨了非预应力钢筋混凝土梁与预应力钢筋混凝土梁的动力响应差别和响应机制。研究结果表明：爆炸荷载作用下,钢筋混凝土梁的跨中底部位置最先发生塑性变形,混凝土容易受拉开裂,且爆炸荷载越大开裂越严重;由于预应力筋的存在,预应力钢筋混凝土梁跨中挠度显著减小,预应力钢筋混凝土梁开裂范围大幅减小,裂缝深度也显著降低,但是浅层裂缝的横向分布范围稍有增加;预应力改善了梁的受力状态,使得梁所受荷载均布转移,在爆炸冲击荷载作用下,大部分应力都由预应力筋来承担,非预应力钢筋的应力较小,预应力筋是提高结构抗爆性能的关键点;当脉冲荷载卸载至零后,梁跨中的挠度均能恢复至自重状态下的变形量,说明预应力钢筋混凝土梁在爆炸冲击荷载作用下,仍处于弹性工作状态,这与非预应力钢筋混凝土梁显著不同。模拟研究结果对预应力钢筋混凝土结构抵抗爆炸荷载领域的应用有一定的参考意义。     

地震作用下锚固滑坡动力响应研究

为研究地震作用下锚固滑坡的动力响应,开展大型振动台模型试验,以汶川波、El Centro波以及不同频率的正弦波为输入波,研究在逐级增大加载强度条件下锚固滑坡的动力特性、加速度响应及地震动参数对加速度响应的影响等动态响应特征。结果表明:①地震作用下,锚固滑坡的破坏形式主要为框架之外素土部分上部的张拉破坏和坡底的剪切破坏。②锚固滑坡对输入地震波具有放大作用,且沿坡高方向向上,PGA放大系数呈递增趋势。③不同类型的地震波作用时,由于其频谱特性的差异,锚固滑坡的加速度响应不同。低强度地震波作用时,输入波的频率越接近锚固体的自振频率,坡面加速度放大效应越强;高强度地震波作用时,输入波的频率越低,坡面加速度放大效应越强;低频波作用时,加载强度越大,坡面加速度放大效应越强;高频波作用时,加载强度越大,坡面加速度放大效应越弱。研究结果对锚固滑坡的抗震设计具有一定的参考意义。     

灌浆套筒连接装配式框架-剪力墙爆炸响应与破坏

为了探究采用灌浆套筒连接的装配式框架-剪力墙结构的爆炸响应与破坏模式,运用LS-DYNA软件建立一榀两层的现浇框架-剪力墙和装配式框架-剪力墙的有限元模型,分别模拟分析了不同位置处发生爆炸时两种框架-剪力墙结构的动态响应及破坏模式,并对灌浆套筒连接的装配式框架-剪力墙进行了抗爆性能评估。研究结果表明:灌浆套筒连接的装配式框架-剪力墙结构整体性差,主要原因是预制构件和坐浆层、现浇带之间存在新旧混凝土的薄弱粘结面,粘结面的界面接触在爆炸荷载下首先发生断开,然后爆炸冲击力在结构局部区域发生聚集,使得结构的变形较为集中,容易造成结构局部发生严重的脆性破坏;现浇框架-剪力墙结构具有较好的整体性,爆炸冲击力在结构内能够有效地传递,而且构件之间具有良好的协同作用,结构变形较为均匀,现浇框架-剪力墙的破坏为延性破坏;炸药在结构中不同位置发生爆炸时,爆炸冲击波直接作用的构件损坏严重,其它构件损坏较轻。     

温度荷载作用下灌注型能量桩热力响应原位试验研究

能量桩是一种利用浅层地热的建筑节能技术,具有比传统地源热泵系统更高的换热效率以及节约占地等优点。对能量桩试验基地的1#、2#足尺灌注型能量桩进行加热试验,测试桩身温度、应变、附加应力和侧摩阻力等分布规律,分析夏季工况仅温度荷载作用下(温升10 ℃)能量桩的热力响应。试验结果表明:沿桩壁对称布设多组U型换热管的灌注桩,其桩身温度分布较均匀,桩身应变呈现为两端大中间小,最大附加应力位于桩中部;随着温度荷载的增加,桩体桩侧摩阻力表现为上负下正,桩中部正负交界处的侧摩阻力增长要明显快于桩两端,温升达到7.5℃之后,其增长趋势减弱;本试验条件下,通过对桩体附加应力变化规律的拟合得出其值可能超过1.66 MPa,在设计时必须考虑温度荷载对桩承载力的影响。     

破碎带对地下坑道动力响应影响的数值分析

为了研究破碎带的耗能作用及其对坑道结构动力响应的影响,根据某工程实例,建立了地冲击波作用下类岩体中坑道结构响应的计算模型,利用LS-DYNA3D有限元软件,分别计算了无破碎带和存在破碎带情况下坑道结构的动力响应。计算结果的对比分析表明,顶部破碎带使结构的加速度和位移等运动参数有不同程度的降低,但对结构所受到的应力影响不大;与之相反,侧部破碎带的存在使结构的加速度和位移等运动参数明显地增大。与顶部存在破碎带情况相比,侧部存在破碎带情况下坑道结构运动参数的峰值更大,对坑道结构安全更为不利。