爆炸作用下钢筋混凝土梁动力响应数值模拟

湖南大学硕士学位论文爆炸作用下钢筋混凝土梁动力响应数值模拟姓名：盛利申请学位级别：硕士专业：结构工程指导教师：郭玉荣;肖岩20070510硕士学位论文摘要爆炸灾害对建筑结构造成严重破坏并且会带来巨大的生命财产损失，最近一段时期来随着恐怖活动和地区冲突的加重，恐怖爆炸活动已成为危害国家安全和社会稳定的一个重要因素，使得加强这一领域的研究变得更加迫切，因此爆炸作用对建筑结构的影响这一课题受到了世界各国研究人员的广泛关注，但在我国关于此方面的研究还相对落后。结合教育部重大项目“土木工程抗灾与健康综合研究”，针对炸药爆炸冲击波的传播规律和钢筋混凝土梁在爆炸作用下的动力响应进行数值模拟研究，主要进行了以下几方面的工作：(1)利用ALE算法和炸药爆轰产物的JWL状态方程，研究炸药爆炸后爆炸冲击波在无限域空气中的传播规律，用ANSYS建立三维模型，LS-DYNA进行求解，并将数值模拟结果与经验公式的计算结果进行比较。(2)介绍单自由度体系在爆炸荷载作用下的动力方程，对炸药爆炸后爆炸冲击波遇到障碍物阻挡时三维流场的初始发展和绕射过程进行数值分析，利用后处理软件LS-PREPOST直观地展示流场逐步形成的过程。用ANSYS/LS-DYNA建立钢筋混凝土梁在爆炸作用下的分析模型，对钢筋混凝土梁在爆炸荷载作用下的动力响应进行数值分析。(3)对影响爆炸作用下钢筋混凝土梁破坏形式的各种因素：纵筋配筋率、箍筋间距、跨高比、混凝土强度等进行研究，分析表明随着纵筋配筋率、箍筋间距的增加或跨高比、混凝土强度的减低，梁的破坏形态从弯曲破坏转变为剪切破坏。最后对本文工作进行总结，归纳出了本文的主要结论，并给出了今后值得进一步研究的问题。关键词：爆炸荷载；冲击波；钢筋混凝土梁；动力响应；数值模拟；流固耦合II爆炸作用下钢筋混凝土梁的动力响应数值模拟AbstractBlastcancauseseriousdamagetobuildingstructuresaswellasheavylossofliveandproperty.Itisincreasinglynecessaryandinfactrequiredtocarryoutextensiveresearchinthisfieldwhenincreasedterrorismandlocalconflictsbecomeworse.Theterroristexplosionactivitiesareincreasinglyconcernswhichcouldharmthenationalsecurityandthesocialstability.Thetopicofblasteffectsonbuildingsisofwidelyinteresttoresearchersandengineersallovertheworld.Buttheresearchinourcountryisstilllagbehind.Therefore,sponsoredbytheMinistryofEducationundertheMajorProject“IntegratedDisasterResistanceandHealthResearchforCivilEngineeringStructures”,aimingatthepropagationrulesofblastshockwaveandthedynamicresponseofblast-loadedreinforcedconcretebeam,thefollowingworkhasbeendonebynumericalsimulation:(1)UsingALEalgorithmandtheJWLstateequationfortheproductofexplosivedetonation,thepropagationrulesofshockwaveinthefreeairinducedbyexplosionshasbeenstudied.Athree-dimensionalmodelisestablishedusingANSYS,andtheprogramLS-DYNAisusedtocalculateandanalyze.Thenumericalsimulationresultiscomparedwiththosecalculatedbyempiricalformulas.(2)TheprincipleofdynamicresponseofSDOFsystemundertheeffectofblastloadispresented,andthenumericalsimulationoftheshockwaveflowsaroundanobstacleisconductedwhentheexplosivedetonates.Theinitialdevelopmentofthree-dimensionalexplosivefieldandthearound-flowbehaviorwithanobstaclearoundexplosivesourceareobtained.Byusingpost-processingsoftwareLS-PREPOSTavisualrevelationtothearound-flowcourseisobtained.Thethree-dimensionalanalysismodelisestablishedusingANSYS/LS-DYNAforthenumericalanalysisofthedynamicresponseofblast-loadedRCbeam.(3)Theinfluenceoftheseveralfactors,suchaslongitudinalreinforcementratio,tiespacing,span-depthratio,strengthofconcrete,onthefailuremodesoftheblast-loadedbeamsisinvestigated.Itispointedoutthattheflexuralfailuretransferstotheshearingfailurewithincreasinglongitudinalreinforcementratiotiespacing,span-depthratio,ordecreasingspan-depthratio,strengthofconcrete.Finally,thecontentofthisthesisissummarizedandsomeproblems,whichneedfurtherstudy,areproposed.KeyWords:Blastload;Shockwave;Reinforcedconcretebeam;Dynamicresponse;Numericalsimulation;Fluid-solidcouplingIII湖南大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密□，在______年解密后适用本授权书。2、不保密□。√（请在以上相应方框内打“√”）作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日I硕士学位论文第1章绪论1.1前言近年来，常规和非常规破坏性武器的生产在迅速发展，随着恐怖主义和地区冲突的进一步加重，世界范围内出现的爆炸灾害也越发严重起来。尤其自2001年美国的9.11事件和近期的伊拉克战争以来，这种情况又被进一步恶化，恐怖袭击活动越来越频繁，袭击的对象从军用设施到民用建筑都有，现代炸药的爆炸使目标结构遭到严重的荷载条件，另外，由于飞机碰撞、石化爆炸等灾难对建筑产生的动力荷载也比初始设计荷载大得多。这些爆炸产生的动力荷载比建筑物常规设计荷载要大几个等级，因为这些极端荷载条件的威胁，以及造成的巨大财产和伤亡损失，将爆炸荷载对结构的影响考虑到结构设计中来已经十分必要。而现今的国内设计规范中并没有关于结构抗爆的设计要求，这也使得现有建筑物的抗爆能力储备极为有限甚至没有，一旦遭到袭击，后果不堪设想。现今许多欧美发达国家，如美国、英国、加拿大、澳大利亚和俄罗斯等国家的科研机构及学者很早便开始了这一领域的研究工作，获取了丰富的数据资料，并建立起日益完善的理论体系，己经把结构防爆要求写入到规范当中，而国内在此方面的研究尚属起步阶段，研究领域主要涉及军用及人防工程，为了能够应付日益复杂的犯罪活动，民用建筑的抗爆研究急需加强。国际的研究经验表明，由于爆炸试验的高危险性，仅在军事国防领域采用试验的方法，而在民用领域的研究中进行大量的实验研究较为困难，在军事研究中获得的实验数据又都属于各国保密资料，要获取相关资料比较困难，这也是关于民用建筑抗爆研究较为困难、进展缓慢的主要原因。随着计算机技术的飞速发展和大量使用，计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助工程(CAE)尤其是计算机数值模拟在爆破领域得到了广泛的应用。数值计算方法是平行于实验方法和理论研究方法的一种实践，成为科学研究的第三种手段，是科学研究中不可缺少的研究工具。一批可以有效模拟结构动力反应的有限元计算软件，如ANSYS/LS-DYNA、ABAQUS和AUTODYN等专长于求解非线性问题的有限元分析软件出现，并广泛应用于工程实践，通过对有限元计算软件的有效应用不但节约了大量的实验费用，而且还可对大量数据进行反复计算比较，这是实验研究所无法比拟的优势。可以说，继理论分析和科学试验之后，数值模拟已成为科学技术发展的主要手段之一，它的计算精度和可靠性也随着计算机技术、软件工具、算法和工程知识的发展越来越高，其计算结果已经成为各类工程问题分析的依据。1爆炸作用下钢筋混凝土梁的动力响应数值模拟1.2国内外研究现状由于国内外爆炸事件的频繁发生，以及其产生的日益严重的后果，对爆炸荷载的深入研究已经受到国外大量研究人员和工程设计人员的广泛重视。尤其当今国际恐怖主义活动频繁，并大多以爆炸作为主要破坏手段，所以国外已经开展了相关方面的深入研究，并取得了丰硕的成果，发表了大量的相关方面文章。但国内在此方面研究发展缓慢，急需加强。自从1968年在英国发生了一起由爆炸导致的一座名为RonanPoint(图1.1)建筑的坍塌开始，特别是1995年4月15日美国奥克拉赫马政府大厦遭汽车炸弹袭击(图1.2)和9·11事件发生以后，人们对建筑遭受爆炸荷载作用给与了广泛关注，出现了大量的与此相关的文章。文献[1]认为近来发展的高效材料，新型结构系统，提出的巧妙分析方法使得结构的安全储备变得相当小。因此这样的结构可能只有很少的抗力储备以适应异常的负荷情况，并且由于现阶段我国的建筑设计规范中并没有考虑结构抗爆的设计要求，所以国内绝大多数的建筑设计时都没有考虑爆炸荷载的影响，这也使得结构抵抗异常荷载的能力十分有限，从而使得恐怖主义炸弹袭击更容易得逞，并往往会造成灾难性的后果。图1.11968年英国RonanPoint公寓图1.21995美国奥克拉荷马州政府大厦我国在爆炸效应及其防护研究方面，在总参兵种部、国家人防办公室和军内外的一些其它部门领导下已经做过许多工作，但这些工作并不是专门针对民用建筑物防护恐怖爆炸的，对反恐怖的爆炸防护研究相对滞后，成果还很少。研究并采取合理高效的反恐怖爆炸防护技术，尽可能提高各种设施在突