近距離爆炸下砌體填充墻局部破壞試驗研究與數值模擬

來源: www.9494203.live 發布時間:2017-07-24 論文字數:34175字
論文編號: sb2017071922162616755 論文語言:中文 論文類型:碩士畢業論文
本文是建筑論文,本文對砌體填充墻在近距離爆炸下的破壞形態和響應行為進行了場地試驗和數值模擬研究。通過對砌體填充墻進行近距離爆炸試驗,對砌體填充墻在近距離爆炸下的破壞機理。
第一章 緒   論 
 
1.1 課題研究背景及意義
近幾十年來,隨著世界各國生產力水平及產業結構層次的長足發展,人類社會由以農業經濟為主導的鄉村型社會向以工業和服務業經濟為主導的現代都市型社會轉變,人類社會經歷了城市化的歷史進程。據相關機構統計顯示,在過去的幾十年間,世界上超過一半的人口從鄉村遷移到城市居住,世界上出現了數十座人口超過千萬的特大城市,人口超過百萬的城市不計其數。城市已成為人類現代生活的主要場所和方式。然而,隨著城市功能的日益完善,城市中輸油和燃氣管道交錯復雜,各種工廠星羅棋布,各種用電設施存在于城市環境中,使城市中的爆炸安全事故時有發生,造成嚴重的財產損失和人員傷亡。例如發生在 1992年的墨西哥瓜達拉哈拉爆炸事故,造成約 200 人死亡,1500 人受傷。1995 年發生在韓國的大邱天然氣管道爆炸事故(如圖 1-1 所示),造成 103 人死亡,死者中超過 60 人都是學生。2000 年荷蘭發生煙花倉庫爆炸事故,造成 23 人死亡,947 人受傷,爆炸破壞了位于起爆點 42 公頃區域內的居民區和 200 所住宅,并使 1500 所建筑受損,造成的經濟損失超過 4.5 億歐元(圖 1-2)。2001 年法國圖盧茲化工廠發生爆炸火災,爆炸造成工廠兩座廠房全部被損毀的同時,還造成位于爆炸點 40 公頃范圍內的建筑物全部發生損毀或倒塌,爆炸事件共造成 25 人死亡,20 人失蹤,650 人受傷(圖 1-3)。2002 年尼日利亞首都拉各斯軍火庫發生爆炸,造成超過 2000 人死亡,現場基礎設施損毀嚴重。2009 年俄羅斯莫斯科天然氣管道發生爆炸事故,造成 5 人受傷,現場燃起高達 200 米的火焰,位于爆炸點周圍的兩棟房屋受損。2011 年法國一座核工廠發生爆炸,造成 1 人死亡 4 人受傷。2013 年美國德克薩斯州一家化肥工廠發生爆炸,造成爆炸點周圍 10 棟建筑起火,70 多棟住宅被毀壞,35人死亡,超過 160 人受傷,距爆炸點 60 公里外的地方都可以感受到爆炸引起的震動。2014 年美國紐約居民區兩棟居民樓發生爆炸事故,造成 7 人死亡,60 余人受傷,居民樓發生嚴重損毀和倒塌(圖 1-4)。  
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1.2 國內外研究現狀與發展趨勢 
自第二次世界大戰結束后,世界各國就開始著手對建筑結構在爆炸荷載下的破壞形態及響應行為進行研究。早在 20 世紀 40 年代,美國已開始對爆炸荷載的計算方法和建筑結構爆炸荷載的確定方法進行研究,40 年代末出版的陸軍技術手冊 TM5-855-1[3]論述了不同爆炸條件下空氣中爆炸沖擊波及作用在建筑結構上的荷載計算方法,并于 1965 年進行了再次修訂,并且其中爆炸荷載的確定過程被編寫成軟件中的 CONWEP 爆炸荷載模型。在 20 世紀 50 年代,美國出版了《砌體結構在沖擊荷載下的破壞》[4]一書,總結了學術界關于砌體結構在爆炸荷載下破壞形態和響應行為的研究成果。在 20 世紀 60 年代,美國麻省理工學院教授約翰比格斯在出版的《結構動力學介紹》[5]一書中,已對建筑結構在爆炸荷載下響應行為的分析方法及抗爆設計方法有了權威的論述,為后續的抗爆設計和研究提供了重要參考。在同一時期,美國開始將等效單自由度體系法用于結構在爆炸荷載下響應行為的分析。1961 年,美國土木工程師協會公布了防核武器結構設計手冊 ACI  349-01[6],論述了核武器爆炸下荷載的確定及結構設計問題。在 20 世紀 70 年代,美國不斷總結當時的研究成果,對抗爆技術工程手冊進行了更新和修正。例如 1974 年美國公布了在 1962 年空軍部門推出的結構防護技術手冊的基礎上修訂的美國空軍防護結構設計與分析手冊 AWML-TR-74102[7],該手冊系統論述了防護結構在核武器爆炸下的分析與設計方法。到了 20 世紀 80 年代,美國對建筑結構在爆炸荷載下的防護設計及加固措施方面進行了系統攻關研究,于1984 年出版草案并于 1990 年正式公布了《結構抗偶然爆炸設計指導手冊》對軍事和民用結構的爆炸荷載的確定及設計問題進行了系統論述。1989 年美國空軍工程與安全中心頒布《防護結構設計手冊》(ESL-TR-87-57[9]),對抵御常規武器的結構防護設計方法進行了論述和規定。1996 年美國土木工程師協會(ASCE)頒布了民用建筑結構抗爆設計方法。美國還對日常民用建筑結構在爆炸荷載下的破壞形態和損傷評估方法及防連續倒塌機制進行了研究,在21 世紀初出版了《聯邦政府辦公樓及大型建筑連續倒塌分析和設計指南》(GSA2003[10])。2008 年美國頒布了最新版的建筑抗爆標準 UFC 3-340-02[11]。以上設計指導準則都從不同方面對建筑結構在爆炸荷載下的防護設計進行了規定。在確立作用在建筑結構上的爆炸荷載方面,我國的科研人員也做了大量的努力并取得了令人矚目的成果。例如,師燕超[57]等學者對作用在鋼筋混凝土柱上的爆炸荷載的確定以及鋼筋混凝土柱在爆炸荷載下的破壞機理進行了研究,并給出了等損傷壓力-沖量曲線,并研究了影響鋼筋混凝土柱抗爆性能的因素,提出了鋼筋混凝土柱在爆炸荷載下的破壞準則。
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第二章 爆炸荷載下結構動態響應行為分析理論 
 
本章對爆炸現象的定義、性質和分類,爆炸波的傳播特性,爆炸波與結構的相互作用過程,作用在結構上的爆炸荷載的計算方法,及遠距離和近距離爆炸情況下主要結構構件的響應行為進行闡述。 
 
2.1 爆炸荷載 
爆炸是在極短時間內迅速發生反應,釋放大量能量和熱量,并在周圍介質中造成高壓的化學反應或狀態變化過程。由于爆炸在極短時間內釋放其內部含有的巨大能量并轉化為機械功、光和熱等能量形態并對外界環境做功,因此爆炸一旦發生,就會產生巨大的破壞作用,造成嚴重的人員傷亡財產損失。爆炸具有以下特征: (1) 高反應速度性。爆炸的反應時間介于 10-5~10-6s 之間,爆炸的反應速度(用爆速來衡量)通常在 1.5 103m/s~9 103m/s 之間。由于爆炸反應速度極快,導致反應瞬間釋放的能量來不及消散而高度集中,所以爆炸具有極強的破壞作用。 (2) 爆炸過程釋放大量熱量。爆炸過程釋放的反應熱一般為 2900~6300KJ/kg,可產生達 3000~4000℃的高溫。 (3) 爆炸產生大量氣體。1kg 炸藥爆炸能產生 700~1000L 氣體,在反應熱的作用下,爆炸源四周的氣體急劇膨脹,并且與爆炸源相接觸的一層氣體處于壓縮狀態,該層氣體的密度比正??諝庖蠛芏?,稱為爆炸沖擊波。爆炸對周圍介質的破壞就是通過爆炸沖擊波實現的。強大的沖擊波往往可達到十幾個甚至幾十個大氣壓強。 
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2.2 遠距離爆炸下建筑主要構件的動態響應行為與破壞特征
本節介紹了建筑結構主要構件(鋼筋混凝土板、鋼筋混凝土柱和砌體填充墻)在遠距離爆炸和近距離爆炸下的動態響應行為破壞特征,并對破壞特征的成因和不同之處進行了闡述。圖 2-7顯示了鋼筋混凝土板和鋼纖維混凝土板構件在遠距離爆炸下的破壞形態。從圖中可以看出,鋼筋混凝土板在遠距離爆炸下的破壞形態為整體彎曲型破壞,板跨中處往往因為撓度過大而發生破壞,此時板跨中處的混凝土發生壓碎和拉伸破壞。 在近距離爆炸下,爆炸荷載只集中于結構位于炸藥周圍很小的區域上,而不再像遠距離爆炸那樣均勻分布在結構整個迎爆面上。爆炸釋放的能量會被結構吸收且以應力波的形式在結構中傳播,結構的破壞特征為結構迎爆面的壓縮破壞和背爆面的材料剝落破壞或結構位于炸藥周圍區域的貫穿破壞等局部破壞形態,這與遠距離爆炸下結構的整體式破壞形態有很大不同。 
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第三章  近距離爆炸下砌體填充墻局部破壞試驗研究 .... 22 
3.1  試驗設計 ....... 26 
3.2  試驗結果及初步分析 ........... 26 
3.3  碎片分布情況初步分析 ....... 31 
3.4  本章小結 ....... 33 
第四章  近距離爆炸下砌體填充墻碎片分布特性分析 .... 34 
4.1  碎片尺寸分類和稱重 ........... 34
4.2  不同尺寸碎片分布特性 ....... 38 
4.3  不同拋射距離碎片分布特性 ....... 39 
4.4  碎片的尺寸分布特性 ........... 40 
4.5  本章小結 ....... 42 
第五章  近距離爆炸下砌體填充墻破壞形態的數值模擬 ........ 43 
5.1  有限元模型的建立 ....... 43
5.2  數值模擬結果及驗證 ........... 49 
5.3  本章小結 ....... 54 
 
第五章 近距離爆炸下砌體填充墻破壞形態的數值模擬 
 
本章基于有限元軟件 LS-DYNA,采用燒結普通磚和砂漿材料模型,定義材料在爆炸荷載下的侵蝕判據,對第三章兩個近距離爆炸試驗中砌體填充墻的破壞形態進行數值模擬,并通過將砌體填充墻破壞區域尺寸的試驗結果和數值模擬結果的比對驗證了數值模擬的準確性。
 
5.1 有限元模型的建立 
LS-DYNA 是功能強大的瞬態非線性動力有限元分析計算軟件,由美國國防試驗室于 20 世紀 70 年代開發,最初的開發目的是為北約國家的武器設計提供數值模擬評估。后來,LS-DYNA 開始向社會公開發行。如今,LS-DYNA 提供豐富的材料庫、幾何非線性、材料非線性、摩擦和接觸分離等功能算法供用戶選擇,已可以正確模擬三維建筑結構在爆炸沖擊等高應變率瞬態動力荷載下的破壞形態和響應行為,是研究砌體填充墻在爆炸荷載下破壞形態和響應行為的權威數值模擬軟件。因此本文在 LS-DYNA 中分別建立空氣、炸藥以及砌體填充墻的數值模型,進而對近距離爆炸荷載下砌體填充墻的破壞形態和響應行為進行分析。 本文在 LS-DYNA 中建立了砌體填充墻的數值模型,為了直觀地觀察到砌體填充墻的損傷發展過程及燒結普通磚和砂漿界面處的破壞情況,采用磚和砂漿分離建模的方式建立模型。由于爆炸荷載屬于瞬態動力荷載,因此采用包含 20 結點的Solid 186單元作為燒結普通磚和砂漿的建模單元。為了提高計算的準確性,將單元網格尺寸控制為 0.01m。為了提高計算效率,不考慮燒結普通磚與砂漿界面間的粘結滑移,將磚和砂漿界面間的重合節點耦合。為了如實模擬與場地試驗完全相同的邊界條件,砌體填充墻四周邊界結點的所有自由度被完全約束,如圖5-1 所示。 
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結論 
 
本文對砌體填充墻在近距離爆炸下的破壞形態和響應行為進行了場地試驗和數值模擬研究。通過對砌體填充墻進行近距離爆炸試驗,對砌體填充墻在近距離爆炸下的破壞機理和成因進行了分析,對破壞區域尺寸進行了測量,對爆炸產生的碎片進行了收集、篩分和尺寸分類,對碎片分布特性進行了研究。同時還在瞬態動力有限元分析軟件 LS-DYNA 中對近距離爆炸下砌體填充墻破壞形態進行了數值模擬。本文主要成果和結論如下: 
(1)  砌體填充墻在近距離爆炸下會發生迎爆面的壓縮破壞、背爆面的材料剝落破壞和貫穿破壞等局部破壞。這些破壞形態與砌體填充墻在遠距離爆炸下的整體彎曲破壞或剪切破壞有很大不同,導致此情況的原因是當爆炸在距墻很近的地方時,爆炸荷載只作用于結構位于起爆點四周的區域上,而不再像遠距離那樣均勻分布在整體結構上,并且爆炸產生的很大一部分能量會被結構吸收且以應力波的形式在結構中傳播,初始的應力波為壓縮應力波,它導致結構的迎爆面發生壓縮破壞;當壓縮應力波傳播到結構背面時會反射為拉伸應力波并使結構背面發生材料剝落破壞。因此在進行砌體填充墻在近距離爆炸下的抗爆設計和科研工作時,需要對近距離爆炸情況單獨研究,現有遠距離爆炸下的研究成果不能直接為近距離爆炸提供借鑒。本文獲得的試驗結果可為未來砌體填充墻在近距離爆炸下的抗爆設計及數值模擬結果的驗證提供參考。 
(2)  砌體填充墻的爆炸承載力很低,在近距離爆炸下極易發生破壞并產生碎片。尖銳碎片占碎片總質量的比重隨爆炸荷載的增加而上升。這是由于當爆炸荷載較小時,材料裂縫有時間沿著材料中最薄弱的方向發展,但隨著爆炸荷載的提高,材料變形的應變率加快,裂縫沒有時間沿著材料的最薄弱方向發展,因此生成的碎片尺寸就更小。通過研究還發現,雖然尖銳碎片占碎片總質量的比重隨爆炸荷載的提高而上升,但大塊碎片仍在碎片總質量中占主要比重,超過了 50%,說明大塊碎片仍在砌體填充墻在近距離爆炸下產生碎片中占主要比重;尖銳碎片在占碎片總拋射區間長度 2/3 的距墻較遠區間內占主要比重,大塊碎片在占碎片總拋射區間長度 1/3 的距墻較近區間內占主要比重,說明尖銳碎片具有較高的拋射速度,在對砌體填充墻進行近距離爆炸下的抗爆設計時要考慮尖銳碎片的影響;砌體填充墻在近距離爆炸下尖銳碎片的累計尺寸質量比重分布可以用 Weibull 分布來描述。本試驗研究成果可為未來砌體填充墻在近距離爆炸下的抗爆設計及砌體填充墻破壞過程及碎片生成的數值模擬方法的驗證提供參考。 
(3)在瞬態動力有限元軟件 LS-DYNA 中利用砌體材料模型和軟件的材料侵蝕功能,對砌體填充墻在近距離爆炸下的破壞形態進行了數值模擬。通過破壞區域尺寸的數值模擬結果與場地試驗結果的對比驗證了數值模擬的準確性。本數值模擬結果可為未來砌體填充墻在近距離爆炸下損傷評估工具的發展提供參考.
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參考文獻(略)

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