大空间钢结构的爆炸动力响应及抗爆设计方法

论文摘要

大空间钢结构应用广泛,但是因为建筑内人群密集,往往会成为恐怖分子的袭击目标。由于大空间结构跨度大、体形复杂、自振频率密集及爆炸荷载的特殊性,使得之前的结构抗爆研究成果和抗爆设计方法不再适用于该类结构。为此,论文在大空间钢结构的抗爆研究方法上做了一些探索,并结合一种常见的拱形大空间结构形式,对其进行抗爆研究,主要内容如下:应用有限元软件LS-DYNA对一个空中爆炸模型进行了数值模拟,计算结果与经验公式计算结果符合较好,证明模型及材料参数的可靠性,为结构内爆炸的数值模拟提供依据。采用验证后的材料参数,对一个拱形大空间结构进行了爆炸数值模拟,试验现象及计算结果表明了研究方法的可行性及数值模型的可靠性。考虑空间内各点的冲击波压力时程存在时空差异,通过引入本征正交分解（POD）方法,较好地解决了结构表面的冲击波压力场分布问题。针对拱形大空间结构,通过改变结构表面孔洞的布置形式、矢跨比、高度、炸药TNT当量、爆炸点位置等参数,研究了在不同情况下结构表面的压力场分布,得到可靠结论。作用在结构上的冲击波荷载确定以后,选取三向网格单层柱面网壳结构作为研究对象,分析其在爆炸荷载下的动力响应。作者采用Ritz-POD法计算结构动力响应,通过与传统振型叠加法比较,证明采用该方法可以获得较好的计算精度和效率,但同时指出该方法的缺点及使用时的注意要点,即Ritz向量阶数取值与本征模态的阶数取值的比值较大时方能取得较好计算精度。针对所选结构,通过改变矢跨比、结构高度、爆炸TNT当量及爆炸点的位置,分析了各参数改变对结构动力响应的影响,得到可靠结论,并根据结论提出结构抗爆设计的建议。最后,介绍目前国内外的抗爆设计方法,根据研究成果及大空间结构自身特性,提出了大空间结构抗爆设计应遵循的设计原则及设计方法。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 课题的研究现状
• 1.2.1 爆炸冲击波荷载及其传播规律
• 1.2.2 建筑结构抗爆研究
• 1.2.3 建筑结构防爆技术研究
• 1.2.4 建筑结构的抗爆设计方法研究
• 1.3 本文主要研究内容和方法
• 第二章 空中爆炸理论
• 2.1 爆炸冲击波的形成
• 2.2 量纲分析及爆炸相似律
• 2.2.1 量纲分析与π定理
• 2.2.2 爆炸相似律
• 2.3 爆炸冲击波的经验公式
• 2.4 爆炸冲击波的数值模拟
• 2.4.1 LS-DYNA 简介
• 2.4.2 空中爆炸的数值模拟
• 第三章 大空间结构的冲击波压力场分布
• 3.1 引言
• 3.2 本征正交分解法
• 3.3 大空间内爆炸的有限元模拟
• 3.3.1 有限元模型的建立
• 3.3.2 数值模拟结果的可靠性验证
• 3.4 试验结果分析
• 3.4.1 结构孔洞布置对压力场分布的影响
• 3.4.2 矢跨比对压力场分布的影响
• 3.4.3 结构高度对压力场分布的影响
• 3.4.4 TNT 当量对压力场分布的影响
• 3.4.5 爆炸点位置对压力场分布的影响
• 3.5 小结
• 第四章 单层柱面网壳在爆炸荷载下的动力响应
• 4.1 引言
• 4.2 基本理论
• 4.2.1 振型叠加法
• 4.2.2 Ritz 向量叠加法
• 4.2.3 算例分析
• 4.3 单层柱面网壳的动力特性分析
• 4.3.1 计算模型
• 4.3.2 结构自振特性分析
• 4.4 单层柱面网壳在爆炸荷载下的动力响应
• 4.4.1 振型叠加法及Ritz-POD 法计算结构动力响应
• 4.4.2 结构参数改变对其动力响应的影响
• 4.5 小结
• 第五章 大空间钢结构的抗爆设计方法
• 5.1 引言
• 5.2 建筑结构抗爆设计原则
• 5.3 建筑结构抗爆设计方法
• 5.3.1 普通民用建筑抗爆设计方法
• 5.3.2 工业建筑抗爆设计方法
• 5.3.3 大空间钢结构抗爆设计方法
• 5.4 小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.1.1 在空气冲击波压力场分布方面
• 6.1.2 在结构的动力响应方面
• 6.2 本文的不足及对今后研究的建议
• 参考文献
• 致谢