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地下结构在内部爆炸荷载作用下的连续倒塌与防护分析

作　者: 王琦
导　师: 田力
学　校: 天津大学
专　业: 结构工程
关键词: 连续倒塌地下结构爆炸冲击波三阶段法流固耦合泡沫铝
分类号: TU93
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

近些年来，世界范围内恐怖爆炸袭击频繁发生，民用建筑内部因煤气泄漏、线路老化等引起的偶然性爆炸也时有发生，尤其目前随着用地的日益紧张，很多建筑物转入地下寻求空间，一旦地下结构内部发生爆炸并引起连续倒塌，后果将不堪设想。所以爆炸荷载作用下地下结构的连续倒塌与防护问题引起全世界学者的极大关注。本文以爆炸力学、流体动力学和有限元法为理论基础，运用ANSYS/LS-DYNA软件，建立地下结构的三维模型，采用ALE方法、侵蚀算法、流固耦合算法，分析研究地下结构在内部爆炸荷载作用下的连续倒塌机理和破坏模式，以及相关防护措施的抗爆效果。主要研究工作及成果包括：（1）在直接模拟法的基础上，采用新的连续倒塌分析方法——三阶段模拟法。并且对直接模拟法、拆除构件法和三阶段模拟法在模拟连续倒塌方面进行分析对比。结果表明，直接模拟法能够真实的模拟爆炸荷载作用下结构的连续倒塌，但该方法要求使用者对结构动力学、材料动力特性以及数值模拟技术有详尽的了解，除此之外，计算成本过高也是不能忽略的，因此，直接模拟法不适合在工程领域推广；由于忽略爆炸荷载对其他结构构件的破坏作用，拆除构件法高估结构的抗连续倒塌能力；三阶段法能够较为准确的模拟结构的连续倒塌过程，并且比直接模拟法更为高效，节约时间成本。（2）建立地下结构在爆炸荷载作用下连续倒塌的整体式模型，研究炸药在近中柱、近边柱以及近角柱爆炸时，对结构连续倒塌的影响程度。结果表明对于两层两跨的框架结构，中柱为结构关键性构件，一旦破坏失效，极易引起连续倒塌，后果十分严重。在采用局部加强方法进行抗爆加固时，要首先考虑中柱，其次是边柱，最后为角柱。（3）采用三阶段法分析地下结构在泡沫铝防护下的整体式模型对不同位置炸药爆炸的响应情况。结果表明，在关键性构件外敷泡沫铝能极大提高结构的抗爆能力。泡沫铝由于其自身的粘性效应，不仅能够通过变形吸收大量爆炸冲击波的能量，而且冲击波经过泡沫铝的衰减之后，其破坏力明显降低。由此可见，泡沫铝具有较强的衰减爆炸冲击波的能力，因此外敷泡沫铝是提高构件抗爆能力的有效措施。（4）建立钢筋混凝土地下结构在爆炸荷载作用下的分离式模型，重点分析钢筋在结构遭受爆炸荷载时所起的作用。结果表明，钢筋可以提高地下结构抗连续倒塌能力，延长连续倒塌时间，但无法从根本上阻止倒塌。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-7
目录  7-9
第一章绪论  9-17
  1.1 课题背景与研究意义  9-12
  1.2 国内外研究现状与水平  12-16
  1.3 本文主要内容  16-17
第二章爆炸荷载作用下结构连续倒塌的基本理论  17-23
  2.1 爆炸动力学理论  17-20
  2.2 连续倒塌理论  20-22
  2.3 LS-DYNA 软件在工程中的应用  22
  2.4 本章小结  22-23
第三章地下结构在内部爆炸荷载作用下的数值模型  23-35
  3.1 材料模型  23-29
  3.2 算法  29-33
  3.3 无反射边界条件  33
  3.4 本章小结  33-35
第四章泡沫铝的防爆性能研究  35-40
  4.1 泡沫金属材料概述  35-36
  4.2 泡沫金属的主要特征及参数  36
  4.3 泡沫铝的力学性能  36-38
  4.4 泡沫铝的吸能抗爆特性  38-39
  4.5 本章小结  39-40
第五章地下结构在内部爆炸荷载作用下连续倒塌与防护分析  40-62
  5.1 数值分析模型  40-49
  5.2 不同工况下地下钢筋混凝土结构连续倒塌与防护的对比分析  49-61
  5.3 本章小结  61-62
第六章采用钢筋-混凝土分离式建模的地下结构在内部爆炸荷载作用下连续倒塌分析  62-75
  6.1 数值分析模型  62-63
  6.2 地下二层近中柱爆炸情形下钢筋混凝土框架结构的连续倒塌  63-65
  6.3 地下二层近边柱爆炸情形下钢筋混凝土框架结构的连续倒塌  65-67
  6.4 地下一层近中柱爆炸情形下钢筋混凝土框架结构的连续倒塌  67-69
  6.5 地上结构中柱和边柱破坏情况下的动力响应  69-73
  6.6 比较分析  73-74
  6.7 本章小结  74-75
第七章结论与展望  75-77
  7.1 结论  75
  7.2 展望  75-77
参考文献  77-80
发表论文和参加科研情况说明  80-81
致谢  81

地下结构在内部爆炸荷载作用下的连续倒塌与防护分析

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