大跨空間結構在爆炸荷載下的破壞機理及防禦措施研究

《大跨空間結構在爆炸荷載下的破壞機理及防禦措施研究》是依託哈爾濱工業大學，由支旭東擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：大跨空間結構在爆炸荷載下的破壞機理及防禦措施研究
• 依託單位：哈爾濱工業大學
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：支旭東

項目摘要

大跨空間結構通常作為重要公共建築的屋蓋結構，易於成為恐怖破壞的目標；因此，在設計中應合理考慮爆炸荷載的效應，並採取防禦措施，以大幅度減少爆炸襲擊帶來的危害。申請者以前期研究為基礎，對大跨空間結構在爆炸荷載下的失效機理及防禦措施開展研究，著重解決以下關鍵理論問題：（1）研究大跨空間結構在爆炸荷載下的衝擊波壓力場分布規律，提出衝擊波壓力場分布的理論模型；（2）研究大跨空間結構在爆炸荷載下的回響特徵及其失效模式，揭示其失效機理；（3）提出大跨空間結構的抗爆設計思路，提出適用於工程設計的實用爆炸荷載模型和結構分析方法，研究大跨空間結構的泄爆措施。通過本項目的研究，為大跨空間結構的工程設計提供紮實的理論基礎和技術保障，適應當前空間結構快速發展的需要。

結題摘要

大跨空間結構往往是一個地區或區域的標誌性建築和人流密集場所，易於成為恐怖攻擊的目標，研究該類建築在偶然爆炸/衝擊下的結構破壞機理，並提出合理可行的防禦措施建議，具有重要的意義及套用價值。本課題在此背景下，開展大跨空間結構抗爆領域的系列研究，從材料在高速作用下本構模型、大跨度屋蓋結構在爆炸下的壓力場分布規律、網殼結構在爆炸荷載下的回響及防禦措施，及大跨空間結構抗爆風險評估方法等五個方面均進行了探索，初步形成了大跨空間結構抗爆研究的理論框架。課題取得的具體成果包括：開展六組Q235B鋼材的系統材性試驗：室溫到950°C下的單向拉伸試驗；室溫下應變率從8.33x10-4 s-1到1.667x10-2 s-1下單向拉伸試驗；SHTB試驗；不同缺口試樣拉伸試驗；室溫下試樣扭轉試驗；室溫下圓柱試件的單向壓縮試驗。通過試驗研究了Q235B鋼的塑性流動行為、延性及不同應力三軸度下的斷裂應變。使用這些試驗數據擬合標定了經典Johnson-Cook本構模型和失效準則中的待定參數；為了改進預測結果提出了改進J-C本構和失效模型。該系列試驗及研究成果可為今後民用建築鋼結構抗爆/抗衝擊的分析提供基礎性數據。通過數值分析方法研究了兩類大跨度屋蓋在爆炸荷載下的壓力場分布。套用ANSYS/LS-DYNA建立合理的有限元模型，實現大跨度屋蓋結構在爆炸荷載下壓力場的分析。研究了球殼結構、大跨度平屋蓋結構的壓力場分布規律，討論了炸藥等效當量、位置等參數對壓力場分布的影響。對於大跨度平屋蓋體系的超壓場進行了簡化，提出了簡化的數學模型，對於工程套用能夠提供參考。系統開展了網殼結構在爆炸荷載下的回響及破壞模式研究。系統研究了K8型單層球面網殼在內部偏心爆炸下的回響及失效模式，分析了各種炸藥及結構參數對結構回響的影響規律；分別套用流固耦合算法與基於CONWEP算法，對網殼結構在外爆荷載下的回響開展數值分析，同樣獲得了各種炸藥及結構參數對結構動力回響的影響。最後，基於模爆器試驗裝置，較為精細地設計了試驗模型，為後續試驗工作開展奠定了良好基礎。對爆炸荷載下網殼結構的防護措施，包括牆體開洞的泄爆效果，屋面板的選擇，桿件加固方法等進行研究並提出防護設計建議。探討了建築結構爆炸機率風險評估的方法和步驟，並給出一種評價抗爆防護措施有效性的方法。