钢框架在冲击波和破片复合作用下破坏倒塌机理及防护技术研究

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随着我国经济水平的飞速发展,钢框架结构广泛应用于生活中。但国际恐怖袭击爆炸以及生活中的意外爆炸事故也时常发生,对建筑结构的破坏十分巨大,甚至会造成结构的连续性倒塌。所以对钢框架在爆炸荷载作用下的抗爆抗倒塌性能的研究意义重大。本文使用有限元软件ANSYS/LS-DYNA模拟分析了钢框架在爆炸波和破片复合作用下的破坏倒塌情况,主要工作内容和结论如下:(1)运用前处理建立出炸药、空气、破片群、刚性地面以及钢框架的结构模型,其中钢框架的高强度摩擦型螺栓梁柱节点采用分离式建模,同时,对冲击波作用下的小型钢框架破坏变形试验、冲击波和破片复合作用下的钢板侵蚀试验结果进行了数值模拟验证,说明了本文所采用有限元分析方法、接触设置及材料模型选择的准确性与合理性,可以用于后续的参数化分析。(2)分别模拟了钢框架在冲击波单独作用下、破片群独作用下以及二者复合作用下破坏倒塌工况,通过对比分析,发现破片和冲击波对钢框架的破坏效应不同,当二者复合作用时,不仅螺栓节点发生破坏,钢柱的质量损失也很大,故钢框架的承载力下降很多,结构发生倒塌的可能性加大。(3)研究了钢框架构件的自身因素对抗爆抗倒塌性能的影响规律,结果表明:H型钢柱的腹板面是抗爆薄弱面;不能一味增加钢材强度,要合理选材;改变摩擦型螺栓节点的排布方式,对钢框架的抗爆抗倒塌性能影响很大;当钢材的用量相同以及节点承载力相同时,钢框架宜采用方形钢柱。(4)研究了炸药荷载因素以及钢框架层数、高跨比对结构的影响规律,结果表明:当炸药高度离地面越近时,钢框架的破坏程度越小;当炸药水平比例距离保持不变时,炸药量越大,钢框架越容易发生倒塌;钢框架的层数对结构抗爆抗倒塌能力的影响并不显著,而钢框架的高跨比对结构的影响甚大。(5)在防护加固技术中,对于钢柱而言,可以采用粘贴CFRP板、填充橡胶、泡沫铝等防护材料。对于梁柱节点,通过将全螺栓节点变为栓焊节点形式,可以提高了节点抗爆性能。
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