双层球壳结构内爆炸动力响应及抗爆设计方法研究

论文摘要

大跨度空间钢结构具有受力合理,施工简便等优点,目前应用越来越广泛,但同时由于其空间大人员密集、标志性强等特点往往成为恐怖分子爆炸袭击的对象。本文通过数值模拟的方法,对大跨度空间钢结构中的双层球面网壳结构这种结构形式在爆炸荷载作用下的动力响应及其抗爆设计方法做了研究和探讨。1、利用有限元软件ANSYS/LS-DYNA建立了一个双层球面网壳结构内部空中爆炸试验,通过提取有限点的爆炸冲击波与经验公式计算理论值比较,对比结果吻合较好,说明模型建立及有关材料参数的选取正确,数值试验结果可信。由数值实验数据,拟合回归了屋面开敞及不同孔洞率下双层球壳结构内部的爆炸冲击波超压计算公式。2、在数值试验结果的基础上,应用Ritz-POD法,主要研究了改变炸药TNT当量、结构墙体高度、屋面孔洞率和爆炸点位置等参数改变对双层球面网壳结构内爆炸荷载作用下的动力响应的影响,结果表明炸药TNT当量、屋面孔洞率和爆炸点位置三个参数的影响较大:炸药TNT当量增加,结构的动力响应值增加;屋面孔洞率减小,结构的位移响应增加明显,说明爆炸冲击波在屋面维护结构处堆积严重,对结构的抗爆不利;爆炸点位置越远离结构中心,结构的动力响应值越大,越不利于结构的抗爆。3、在查阅《建筑抗震设计规范》以及DoD标准等资料的基础上,提出了大跨度空间钢结构的抗爆设防目标,基于国土木工程协会于1996年颁布的民用建筑抗爆设计方法,探讨性的提出大跨度空间钢结构抗爆炸设计方法,可为大跨度空间钢结构抗爆炸设计提供参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 爆炸冲击波在空气中的传播规律研究
• 1.2.2 钢结构抗爆研究
• 1.2.3 建筑结构防爆技术研究
• 1.3 本文研究的主要内容和研究方法
• 参考文献
• 第二章 炸药爆炸及其作用
• 2.1 引言
• 2.2 爆炸冲击波及其传播
• 2.3 量纲分析与爆炸相似率
• 2.3.1 量纲分析
• 2.3.2 π定理
• 2.3.3 爆炸相似率
• 2.4 爆炸冲击波的计算公式
• 2.4.1 爆炸冲击波超压
• 2.4.2 正压作用时间
• 2.4.3 冲击波比冲量
• 2.4.4 负压值
• 2.4.5 负压作用时间
• 2.4.6 负压比冲量
• 2.4.7 爆炸冲击波的反射超压
• 参考文献
• 第三章 双层球壳结构内爆炸数值实验及超压拟合公式
• 3.1 引言
• 3.2 自由空爆有限元数值模拟
• 3.2.1 有限元模型
• 3.2.2 模拟结果
• 3.3 双层球壳结构内爆炸数值模拟
• 3.3.1 双层球壳结构的发展与应用
• 3.3.2 有限元模型
• 3.3.3 有限元模拟结果以及验证
• 3.4 双层球壳结构内爆炸冲击波超压计算公式
• 3.4.1 屋面无阻挡时的拟合公式
• 3.4.2 屋面孔洞率修正
• 3.5 本章小结
• 参考文献
• 第四章 双层球壳结构内爆炸荷载下的动力响应
• 4.1 引言
• 4.2 结构动力响应分析方法
• 4.2.1 结构体系的运动方程
• 4.2.2 振型叠加法
• 4.2.3 Ritz-POD 法
• 4.3 双层球壳结构的动力特性
• 4.3.1 有限元模型的建立
• 4.3.2 结构的自振频率和振型分析
• 4.4 双层球壳结构在内爆炸荷载下的动力响应
• 4.4.1 炸药量（TNT 当量）对结构动力响应的影响
• 4.4.2 结构墙体高度对结构动力响应的影响
• 4.4.3 屋面孔洞率对结构动力响应的影响
• 4.4.4 爆炸点位置对结构动力响应的影响
• 4.5 本章小结
• 参考文献
• 第五章 大跨度空间钢结构抗内爆炸设计探讨
• 5.1 大跨度空间钢结构的类型与特点
• 5.2 内爆炸荷载对建筑结构的作用
• 5.3 大跨度空间钢结构抗内爆炸设计方法探讨
• 5.3.1 大跨度空间钢结构抗爆设防目标
• 5.3.2 大跨度空间钢结构抗内爆炸设计的难度
• 5.3.3 大跨度空间钢结构抗内爆炸概念设计
• 5.3.4 大跨度空间钢结构泄爆设计
• 5.3.5 大跨度空间钢结构抗内爆炸设计方法
• 5.4 本章小结
• 参考文献
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.1.1 结构内爆炸冲击波超压计算公式
• 6.1.2 关于结构动力响应方面
• 6.1.3 关于大跨度空间钢结构抗内爆炸设计方法方面
• 6.2 本文的不足之处及今后的研究展望
• 致谢