框架结构在爆炸冲击作用下的动力响应分析研究

论文摘要

在现代土木工程结构领域里,由于各种恐怖活动及局部战乱地区的存在,工程结构经常会受到爆炸冲击作用。爆炸冲击作用到结构上,一方面使结构产生强烈的振动而造成结构的损伤,另一方面强烈的冲击作用会直接造成局部构件失效而导致结构发生整体倒塌,因此研究结构在爆炸冲击作用下的动力响应具有重要的应用价值。本文利用ABAQUS动力有限元软件对钢筋混凝土框架在爆炸冲击作用下的动力响应进行了数值模拟计算,得到了框架在爆炸冲击作用下的动力响应及倒塌过程。针对倒塌破坏过程,采用了改善结构体系增加冗余度的方法来提高结构的抗倒塌能力。最后用信号处理手段：希尔伯特-黄变换（HHT）对框架结构在爆炸冲击作用下的动力响应进行了模态参数分析。本文主要工作如下：（1）对国内外目前关于结构抗爆抗冲击研究的现状进行了归纳总结,并对目前常用的抗倒塌方法进行了叙述,最后针对HHT方法在结构分析中的应用现状进行了综合评述。（2）对爆炸冲击的基本特性进行了分析研究,并针对爆炸冲击波各参数,研究了爆炸冲击波超压峰值压力、持续时间与炸药量及爆炸距离的关系,给出了基于持续时间t0和峰值压力PSO的三角形爆炸冲击荷载模型,并将该模型应用于ABAQUS动力有限元分析方法中。（3）用ABAQUS动力有限元方法对三层两跨钢筋混凝土平面框架在爆炸冲击作用下的动力响应进行了数值模拟计算,得到了平面框架在爆炸冲击作用下的动力响应及倒塌破坏过程。针对动态响应及倒塌过程,分析了影响框架结构抗爆抗倒塌能力的因素,并引入了结构冗余度的概念,同时通过改善结构体系增加结构冗余度的方法对结构模型进行改善,计算结果表明,增加结构的冗余度能很好的抑制结构的倒塌,有效的提高了结构的抗倒塌能力。最后对空间框架在爆炸冲击作用下的动力响应进行了计算与分析,并讨论了轴压比与密柱框架结构对抗倒塌的影响。（4）研究了HHT变换的基本理论方法,并通过简单实例验证其在处理信号方面的优越性。然后利用HHT结合巴特沃斯滤波器和随机减量技术方法对框架结构在爆炸冲击作用下的动力响应进行了模态参数识别及分析,结果表明了HHT方法在一定范围内与ABAQUS有限元分析得到的模态参数是吻合的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 结构抗爆抗冲击研究现状
• 1.3 结构抗连续倒塌研究现状
• 1.3.1 概念设计
• 1.3.2 拉结强度法
• 1.3.3 拆除构件法
• 1.3.4 关键构件法
• 1.4 基于HHT的结构系统识别研究现状
• 1.5 本文主要研究内容
• 第2章 爆炸冲击荷载模型和动力有限元分析
• 2.1 爆炸的基本特性
• 2.1.1 爆炸冲击波的压力-时程曲线
• 2.1.2 爆炸冲击波超压峰值
• 2.1.3 爆炸冲击波时间参数
• 2.1.4 三角形压力-时程荷载模型
• 2.2 基于三角形爆炸冲击荷载模型的ABAQUS动力有限元分析
• 2.2.1 ABAQUS动力有限元基本方程
• 2.2.2 ABAQUS程序自动时间步长控制方法
• 2.2.3 三角形爆炸冲击波荷载模型
• 2.3 本章小结
• 第3章 爆炸冲击作用下框架结构的动力响应分析
• 3.1 钢筋混凝土平面框架在爆炸冲击作用下的数值模拟及分析
• 3.1.1 混凝土和钢筋的材料模型
• 3.1.2 爆炸冲击荷载模型
• 3.1.3 钢筋混凝土框架的计算模型
• 3.1.4 数值模拟结果及分析
• 3.2 影响平面框架结构抗爆能力的因素分析
• 3.2.1 对原始模型的改进
• 3.2.2 模型2:对节点及柱底箍筋加密
• 3.2.3 模型3:增大梁的配筋率
• 3.2.4 模型4:增大柱的配筋率
• 3.2.5 各模型对抗爆能力的影响分析
• 3.3 基于提高冗余度的钢筋混凝土框架抗倒塌方法研究
• 3.3.1 冗余度
• 3.3.2 隔跨十字交叉支撑
• 3.3.3 隔半跨十字交叉支撑
• 3.3.4 布置密柱
• 3.3.5 框架结构体系对抗倒塌能力的影响
• 3.3.6 确保框架结构冗余度的若干措施
• 3.4 钢筋混凝土空间框架在爆炸冲击作用下的数值模拟及分析
• 3.4.1 底层外边中柱施加爆炸冲击荷载
• 3.4.2 底层角柱施加爆炸冲击荷载
• 3.4.3 底层角柱和外边中柱同时施加爆炸冲击荷载
• 3.4.4 底层一榀框架柱全部施加爆炸冲击荷载
• 3.4.5 轴压比对抗倒塌的影响
• 3.4.6 空间密柱框架结构体系的动力响应
• 3.5 本章小结
• 第4章 基于HHT的结构动力响应分析研究
• 4.1 HHT基本理论方法
• 4.1.1 HHT原理和步骤
• 4.1.2 基于HHT的结构模态参数识别
• 4.2 基于HHT的结构动力响应分析
• 4.2.1 钢筋混凝土平面框架自振特性
• 4.2.2 基于HHT分析平面框架的动力响应
• 4.2.3 空间钢框架自振特性
• 4.2.4 基于HHT分析空间钢框架的动力响应
• 4.3 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 致谢