近爆冲击波和预制破片联合作用下H型钢柱的损伤效应研究

摘要

近年来，世界各地恐怖袭击事件、局部战争和爆炸事故频发，以往暴恐袭击目标主要针对军事及政府建筑，近年来逐渐向普通民用建筑发展。钢结构在普通民用建筑中应用日益广泛，钢柱作为钢结构的主要承重构件，其抗爆能力直接关系着整个结构的抗爆水平。因此研究钢柱的抗爆能力具有重要的现实意义。本文运用ANSYS/LS-DYNA软件模拟了H型钢柱在近距爆炸冲击波和预制破片联合作用下的损伤破坏。主要研究工作和成果如下： （1）建立了由炸药、破片、空气、钢柱和刚性地面5部分组成的数值模型，通过对装药驱动金属平板、爆炸冲击波对钢板作用、联合载荷对钢板作用进行数值模拟，将其结果与理论公式和试验数据进行对比分析，验证了耦合算法、接触类型和本构模型的合理性。 （2）对比分析了H型钢柱在不同载荷作用下动力响应的差别。研究表明：冲击波和破片群的破坏机理不同，冲击波主要引起钢柱的挠曲变形，而破片群主要为局部侵彻破坏。联合载荷作用比二者单独作用时线性叠加的破坏效果还要严重，说明破坏作用具有叠加增强效应。在近爆联合载荷作用下，钢柱首先受到冲击波的作用，而后受到破片群的冲击作用。 （3）研究了近距爆炸冲击波和破片联合作用下各参数对H型钢柱动力响应的影响。研究表明：抗爆设计时，应合理选择钢材强度等级，而不应盲目选择高强度钢材；通过改变柱高来改变长细比对钢柱破坏影响不大；在相同用钢量下，圆管型截面钢柱的抗爆能力最好，H型截面次之，箱形截面最差；为提高钢柱抗爆能力，应尽量选择翼缘宽度与腹板高度比值小于等于1的截面类型，较厚的腹板厚度、较小的高厚比和较小的宽厚比都有利于提高钢柱的抗爆能力。 （4）研究了近距爆炸冲击波和破片联合作用下荷载参数因素对H型钢柱抗爆性能的影响。研究表明：在钢柱抗爆设计时应将炸药量作为主要考虑因素；比例距离公式中随着距离因素R的增加，对钢柱的破坏作用呈现趋同的效果；随着炸药量的增加，其破坏作用并不是简单的线性增长，破坏效果具有加速增大趋势；炸药高度对钢柱抗爆性能的影响差异化明显；在钢柱抗爆设计时，对钢柱施加的轴向压力应有所限制，轴压比不宜大于0.4；外粘CFRP材料对H型钢柱能起到良好的防护效果。

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1.1 研究背景和意义

1.2 国内外研究现状及存在的问题

1.3 本文的主要研究内容

2.1爆炸冲击波基本理论

2.2破片相关理论

2.3 LSDYNA相关理论

4.1.2 破片群荷载单独作用

4.1.3冲击波和预制破片联合载荷作用

4.2 不同载荷作用下H型钢柱损伤效应的对比

4.2.1联合毁伤载荷分析

4.2.2位移响应分析

4.2.3 能量分析

4.3.1 钢材强度

4.3.2 长细比

4.3.3 截面类型

4.3.4截面尺寸

4.3.4.1翼缘宽度和腹板高度的影响

4.3.4.2 翼缘和腹板厚度的影响

4.3.4.3 高厚比的影响

4.3.4.4截面宽厚比的影响

4.5本章小结

5.1.1相同比例距离

5.1.2相同炸药量

5.1.3相同距离