爆炸荷载作用下底框砌体结构工作机理分析

论文摘要

鉴于底框砌体结构在爆炸荷载作用下连续倒塌分析的复杂性,迄今为止,尚未有一种可用于工程实际的足够精确模拟爆炸荷载作用下结构连续倒塌的分析方法。本文在参阅大量文献的基础上,运用有限元软件ANSYS/LS-DYNA,针对底框砌体结构防爆问题的数值模拟展开研究。本文在总结己有研究成果的基础之上,主要进行了如下方面的工作:对国内外的爆炸及抗爆问题的研究进行了综述,论述了爆炸及抗爆问题研究的历史与现状,为后续工作奠定基础。运用通用有限元显式动力分析软件ANSYS/LS-DYNA建立了一个7层底框砌体结构的三维有限元模型,并应用GSA标准分析法对爆炸荷载作用下底框砌体结构连续倒塌过程进行模拟。通过模拟发现GSA标准分析法在模拟的真实性方面存在一定的缺陷。为了克服GSA标准分析法的缺陷,本文提出了两阶段分析法（Two-stage Analysis Method）,并应用此法对爆炸荷载作用下底框砌体结构连续倒塌过程进行模拟。最后将两阶段分析法同GSA标准分析法的分析结果进行对比,指出了两种分析方法的异同和两阶段分析法的优势。通过两阶段分析法的分析结果可知爆炸荷载对结构的破坏是局部性的,局部的破坏引起结构的连续倒塌,因此对局部采取适当的防爆抗爆措施就有可能防止结构的连续倒塌,以上的分析结论对本文后面研究防爆措施实施具有重要的指导意义。底框砌体结构中2层构件在重力作用下受力相较于其他层构件较大。因此本文以爆炸发生在底框砌体结构2层某房间为例,采用ANSYS/LS-DYNA瞬态动力学分析程序对防爆墙的破坏过程及整体结构响应进行数值模拟。充分利用数值模拟分析的优势,通过改变砌体材料的强度等级、纵向配筋率、粘贴玻璃纤维复合材料、粘贴钢板、柱网尺寸、墙体开洞以及底框层数,得到底框砌体结构在爆炸荷载作用下的响应规律和破坏情况以及结构墙体中砌体材料、钢筋的应力和位移随时间的变化规律,为底框砌体结构的防爆设计提供理论基础和有价值的参考数据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.1.1 爆炸荷载作用下的结构连续倒塌
• 1.1.2 底框砌体结构应用概况
• 1.1.3 LS-DYNA在爆炸分析中的应用
• 1.2 课题来源、研究目的及意义
• 1.3 国内外相关研究综述
• 1.3.1 爆炸作用下建筑结构构件响应研究现状
• 1.3.2 建筑结构倒塌研究现状
• 1.3.3 建筑结构防爆抗爆研究现状
• 1.4 本文的主要工作
• 第2章 爆炸分析及倒塌分析相关理论
• 2.1 引言
• 2.2 LS-DYNA理论基础
• 2.2.1 ANSYS/LS-DYNA中的爆炸模拟算法
• 2.2.2 ANSYS/LS-DYNA程序的使用方法
• 2.2.3 重启动分析
• 2.3 接触碰撞分析
• 2.3.1 接触碰撞的类型
• 2.3.2 接触碰撞的数值计算方法
• 2.3.3 接触碰撞算法的有限元实现
• 2.3.4 主从面的判断方法
• 2.4 GSA标准中的连续倒塌设计方法
• 2.4.1 GSA标准的基本设计方法
• 2.4.2 GSA标准的预判断
• 2.4.3 GSA标准的变换荷载路径设计方法
• 2.4.4 GSA标准的设计步骤
• 2.5 本章小结
• 第3章 底框砌体结构连续倒塌分析
• 3.1 引言
• 3.2 结构计算模型
• 3.2.1 建筑物概况
• 3.2.2 结构材料模型及破坏准则
• 3.3 应用GSA标准分析连续倒塌
• 3.3.1 应用GSA标准数值模拟
• 3.3.2 数值模拟结果分析
• 3.4 应用两阶段法分析连续倒塌
• 3.4.1 炸药和空气材料模型
• 3.4.2 两阶段分析方法的可行性
• 3.4.3 应用两阶段法的倒塌分析
• 3.5 两种连续倒塌分析方法的比较
• 3.6 本章小结
• 第4章 防爆抗爆措施研究
• 4.1 引言
• 4.2 防爆墙形式对结构防爆抗爆的影响
• 4.2.1 砌体材料强度的影响
• 4.2.2 纵向配筋率的影响
• 4.2.3 粘贴纤维布的影响
• 4.2.4 粘贴钢板的影响
• 4.3 结构形式对结构防爆抗爆的影响
• 4.3.1 柱网尺寸的影响
• 4.3.2 结构开洞的影响
• 4.3.3 底框层数的影响
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢