框架结构在地下爆炸冲击下的动力响应研究

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近年来,发生于地下空间中的爆炸恐怖事件呈逐年上升之势,这些爆炸事故不仅损坏地下空间中的人民生命财产安全,对于地面上近距离的各种多高层民用住宅、工业建筑、公共建筑等也可造成不同程度的损害。本文参考有关文献和试验数据,确定土壤、空气、炸药尺寸,建立计算模型,运用有限元软件LS-DYNA进行爆炸荷载计算;选取文献中的一个三层框架结构实例,固定炸药量,改变与爆心的距离,将对应的X、Y方向的加速度时间历程曲线作为荷载施加在框架结构上,同时考虑重力加速度,在框架结构楼板上施加恒荷载和活荷载,以考虑正常使用状态时的结构响应,运用有限元软件LS-DYNA建立框架实体模型进行计算。通过以上研究计算分析,得到以下结果:一、当爆炸波阵面到达测定单元后,压力、速度、加速度均瞬间达到峰值,然后随着时间的增长逐渐降低,趋于平缓,且都随着折合距离的增大而不断减小;竖直方向与水平方向的速度值、加速度值相差都很小,竖直方向的影响不能忽略,在对结构的响应计算中必须同时考虑;爆炸之后,在土中留下一个具有一定压力与温度的爆炸气体的空腔,通过数值模拟计算得出,爆炸后土壤中爆腔半径扩大为原来炸药体积的7.0倍;爆炸反应最突出的特点就是反应速度极高,在十几微妙内即可完成爆炸反应,土体在爆炸反应发生后很短时间内达到整体最大振动状态,土体吸收了绝大部分的能量;二、由于爆炸波是从地下传过来的,力从底层柱向上传播,在第一层处,柱把力传给梁,接着由梁传到板,同时力由一层柱向二层柱传播,应力主要集中在柱底和第一层的梁柱铰接点处;由于爆炸荷载作用时间短,因此其加速度波周期小,振幅大,达到荷载峰值瞬间完成,然后又急剧减小,这就使得其作用在结构上的响应不同于一般的地震响应,结构不是由于发生较大的整体位移或层间侧移而失效的,不能单独将此作为结构损伤破坏的评价标准;三、在折合距离(Scaled Distance(?)=R/(?),结构与爆心的距离和炸药量立方的比值)相同的情况下,随着炸药量的增大,结构在爆炸荷载作用下的最大等效应力、应变、塑性应变、X、Y方向位移等各种变量并不相等,而是逐渐增大的;当折合距离小于1.0m/kg1/3时,炸药量对结构响应的影响非常显著,即不同炸药量下各响应差值很大,此时不能单独以折合距离作为爆炸荷载大小分类的标准,要同时考虑炸药量的影响,但当折合距离大于1.0m/kg1/3时,炸药量对结构的响应影响很小,可以忽略不计,即此时可只以折合距离作为单一的标准,将相应的爆炸荷载直接施加在结构上进行计算。并且可以将折合距离1.0m/kg1/3作为框架结构的统一安全距离,在此范围之外,炸药量对框架结构在爆炸荷载下的响应影响不大。本文建立了土壤中炸药爆炸的模型,得出了不同折合距离下的加速度时间历程荷载曲线,将其施加于选定的框架结构上,得出了炸药量和折合距离对框架结构的影响规律,对以后的抗爆设计可以提供有效的依据。
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