爆炸冲击波作用下多层多跨框架结构的塑性极限分析
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摘要
爆炸产生的爆炸冲击波初值高、衰减快、持续时间短,但是对结构的破坏性大,因此研究结构在爆炸冲击波作用下的塑性极限具有重要的应用价值。本文对国内外抗爆设计方法进行了广泛的文献调研,针对爆炸冲击波荷载的特点,同时依据塑性极限理论提出了一种多层多跨框架结构抗爆分析方法——塑性极限方法。该方法以寻找多层多跨框架结构的塑性极限荷载(采用增量变刚度法求解)、塑性极限状态时的应力(或内力)分布和所形成的破坏机构为目的。本研究主要内容有:
(1)依据爆炸冲击波基本理论,确定了爆炸冲击波的峰值超压△P_m的计算公式。
(2)对爆炸冲击波动力特性进行了数值模拟,将冲击波超压△P_m转化为结点动荷载P_m的形式,然后利用静力等效的方法将动荷载P_m等效为静力荷载P作用到框架结构。
(3)采用塑性极限理论对多层多跨框架结构进行塑性极限分析,通过运用增量变刚度法求出多层多跨框架结构的极限荷载、塑性极限状态时的应力(或内力)分布和结构最终的破坏机构。
(4)用Fortran95语言将上述方法编制成计算程序,并模拟算例进行分析,将程序计算结果与sap2000的计算结果比较和分析。
(5)建立了多层多跨框架结构达到最终破坏机构与炸药量和爆炸距离之间的关系,以此确定了结构的防护距离。
最后,在全面总结全文工作的基础上,提出本课题尚待深入研究的若干问题。
Explosive blast resulting from explosion shares an high initial value,fast decay and short duration,but large destruction to constructions,so that studying structure' s plastic limit under explosive blast has an important application value.This article conducted extensive literature research for domestic and foreign anti-explosive design methods,with aiming at the characteristics of blast loads,we bring forward a explosion-resistance analysis method for multistory multispan frame structure by using the plastic limit theory --- the plastic limit method.Its' aim is to find the multistory multispan frame structure's plastic limit load (using stiffness increment variation method),and the plastic limit state of stress(or internal force) distribution and the formation of collapse mechanism.In this study,the main part of the contents of the following:
(1) In accordance with explosive blast basic theory,identified the calculation formula of the explosion shock wave overpressurevalue(△P_m ).
(2) Carried out numerical simulation to dynamic characteristics of the blast,got the equivalent shock overpressure(△P_m ) into node loads(P_m ),then got the equivalent dead load (P)of dynamic load(P_m )by using dynamic equivalence theory and spreaded to multistory multispan frame structure.
(3) Analyzed the multistory multispan frame structure's plastic limits by using plastic limit theory,through using stiffness increment variation method,got ultimate load of plastic and the stress(or or internal force)and the final collapse mechanism.
(4)Compiled the calculation procedures of the above-mentioned method by using Fortran 95 languages,done an analysis of simulated examples,then done comparison and analysis to the calculated results and the calculated results of sap2000.
(5)Established the relationship between structures'ultimate collapse mechanism and explosive usage and explosive distance,then indentified the shelter distance of structure.
In the end,the content of this paper has been summarized and some problems,which need further study,have been proposed.
(1)依据爆炸冲击波基本理论,确定了爆炸冲击波的峰值超压△P_m的计算公式。
(2)对爆炸冲击波动力特性进行了数值模拟,将冲击波超压△P_m转化为结点动荷载P_m的形式,然后利用静力等效的方法将动荷载P_m等效为静力荷载P作用到框架结构。
(3)采用塑性极限理论对多层多跨框架结构进行塑性极限分析,通过运用增量变刚度法求出多层多跨框架结构的极限荷载、塑性极限状态时的应力(或内力)分布和结构最终的破坏机构。
(4)用Fortran95语言将上述方法编制成计算程序,并模拟算例进行分析,将程序计算结果与sap2000的计算结果比较和分析。
(5)建立了多层多跨框架结构达到最终破坏机构与炸药量和爆炸距离之间的关系,以此确定了结构的防护距离。
最后,在全面总结全文工作的基础上,提出本课题尚待深入研究的若干问题。
Explosive blast resulting from explosion shares an high initial value,fast decay and short duration,but large destruction to constructions,so that studying structure' s plastic limit under explosive blast has an important application value.This article conducted extensive literature research for domestic and foreign anti-explosive design methods,with aiming at the characteristics of blast loads,we bring forward a explosion-resistance analysis method for multistory multispan frame structure by using the plastic limit theory --- the plastic limit method.Its' aim is to find the multistory multispan frame structure's plastic limit load (using stiffness increment variation method),and the plastic limit state of stress(or internal force) distribution and the formation of collapse mechanism.In this study,the main part of the contents of the following:
(1) In accordance with explosive blast basic theory,identified the calculation formula of the explosion shock wave overpressurevalue(△P_m ).
(2) Carried out numerical simulation to dynamic characteristics of the blast,got the equivalent shock overpressure(△P_m ) into node loads(P_m ),then got the equivalent dead load (P)of dynamic load(P_m )by using dynamic equivalence theory and spreaded to multistory multispan frame structure.
(3) Analyzed the multistory multispan frame structure's plastic limits by using plastic limit theory,through using stiffness increment variation method,got ultimate load of plastic and the stress(or or internal force)and the final collapse mechanism.
(4)Compiled the calculation procedures of the above-mentioned method by using Fortran 95 languages,done an analysis of simulated examples,then done comparison and analysis to the calculated results and the calculated results of sap2000.
(5)Established the relationship between structures'ultimate collapse mechanism and explosive usage and explosive distance,then indentified the shelter distance of structure.
In the end,the content of this paper has been summarized and some problems,which need further study,have been proposed.
引文
[1]龚敏.爆炸冲击作用下多层框架结构的动力特性与毁伤效应研究.[D].武汉理工大学,2007
[2]Marc S.Caspe.SFI:Blast Protection,Military Engineer,Vol.88.No.580,1996(10-11):70-71
[3]American Standard.Minimum design loads for buildings and other structures(ASCE 7/ANSI A58).Washington:The American Society of Civil Engineers And The American National Standards Institute,1993
[4]American Standard.Interim Construction Standards for Guidance on Structural Requirements(DoD AT/FP).Washington:The United States Department of Defense Antiterrorism/Force Protection,2001
[5]Kinney,Graham.Explosive Shocks In Air[M].U S:[s n.],1985
[6]孙建运.爆炸冲击荷载作用下钢骨混凝土柱性能研究[D].同济大学,2006
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[8]《人民防空地下室设计规范(GB50038-2005)》.国家技术监督局、中华人民共和国建设部联合发布.2006
[9]叶序双.爆炸作用基础[M].南京:解放军理工大学工程兵学院,2001
[10].Baker,W.E.;Explosion in air[M].University of Texas Press,Austin,Texas,1973W.E.贝克著,江科等译,空中爆炸[M].北京:原子能出版社1982
[11]Baker,W.E.;Cox,P.A.;Westine,P.S.:et al.,Explosion hazards and evaluation[M].New York:Elsevier scientific Publishing Company,1983.W.E.贝克,P.S.威斯汀等著,张顺,文以民等译.爆炸危险性及其评估[M].北京:群众出版社,1988.
[12]赵衡阳编.气体和粉尘爆炸原理[M].北京:北京理工大学出版社,1996
[13]李翼棋,马素贞.爆炸力学[M].北京:科学出版社,1992,248-251
[14]张俊秀,刘光烈主编.爆炸及其应用技术[M].北京:兵器工业出版社,1997
[15]挥寿榕.爆炸力学计算方法[M].北京:北京理工大学出版社,1995
[16]于玲玲.《工程应用结构力学》.北京:中国建材工业出版社2004.9.P36-65
[17]哈工大理学教研室编《理论力学》高教出版社(第六版),2002
[18]陈明祥.弹塑性力学[M].北京:科学出版社,2007
[19]徐秉业,刘信声.应用弹塑性力学[M].北京:清华大学出版社,1995
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[24]崔恩第.《21世纪高等院校规划教材结构力学(下册)》.北京:国防工业出版社2006
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[26]张秋生.爆炸冲击荷载作用下框架结构的塑性极限破坏研究.[D].北方工业大学,2008
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[41]史春芳,徐赵东.工程结构抗爆技术的研究现状[J].西安建筑科技大学学报(自然科学版),2007,(05)
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[47]杜修力,廖维张,田志敏,李亮.炸药爆炸作用下地下结构的动力响应分析[J].爆炸与冲击,2006,(05)
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[49]梁义,陆新征等.3层RC框架的抗连续倒塌设计[J].解放军理工大学学报(自然科学版),2007,(06)
[50]李海旺等.爆炸荷载作用下平面钢框架变形形态研究[J].工程抗震与加固改造,2005,(s1)
[51]Malvar L J,Morrill K B,et al.Numerical Modeling of con-crete confined by fiber-Reinforce Composites.ASCE:Journal of Composite for Construction.2004,8(4):315-322
[52]魏雪英,白国良.爆炸荷载下钢筋混凝土柱的动力响应及破坏形态分析[J].解放军理工的大学学报(自然科学版),2007,(05)
[53]Pan Y G,Watson A J.Effect of Panel Stiffness on Resistance of Cladding Panels to Blast Loading[J].ASCE:Journal of Engineering Mechanics,1998,124(4):414-421
[54]方秦等.爆炸荷载作用下钢筋混凝土梁破坏形态有限元分析[J],工程力学,2001,(02)
[55]柳锦春等.爆炸荷载作用下钢筋混凝土梁的动力响应及破坏形态分析[J],爆炸与冲击,2003,(01)
[56]胡登高,孙宝平,陈云龙,贺顺康.爆炸事故中爆炸药量和爆源的确定[J].爆破,2006,(01)
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[59]杨科之,杨秀敏,王年桥.内爆荷载作用下结构等效静载计算方法[J].解放军理工大学学报(自然科学版),2002,(04)
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