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爆炸荷载会对建筑结构造成严重伤害并且会带来巨大的生命财产损失,尤其近一时期随着恐怖主义和地区冲突的进一步加重,使得加强这一领域的研究变得更加迫切。钢结构在工业及民用建筑中应用日益广泛,尤其广泛应用于大型公共建筑结构,所以对于钢结构以及钢构件在爆炸冲击荷载作用下的动力响应和破坏特征的研究有着重要的理论意义和工程价值。
本文主要针对在建筑物室内发生爆炸所产生的爆炸荷载作用下钢结构以及钢构件的动力响应和破坏形态进行分析研究,主要工作包括以下几个方面:
(1)通过对爆炸作用原理的分析,对比研究国内外已经建立的建筑内部爆炸波对结构主要受力构件表面的作用机理与超压荷载的特征和大小,并确定适合建筑物室内爆炸冲击时作用在结构构件上的爆炸波超压模型。
(2)在国内外已经建立的爆炸荷载作用下建筑钢的非线性应力-应变关系基础上,同时考虑应变速率和材料损伤累积的影响,找出合适的钢材的应变率相关本构模型,并总结搜集已有的试验数据资料,确定模型的最优参数。
(3)利用ABAQUS有限元软件对钢柱在爆炸荷载作用下的动力响应和破坏形态进行数值模拟,研究钢柱在爆炸荷载作用下的动力响应和破坏形态。
(4)利用ABAQUS有限元软件建立平面框架在爆炸荷载作用下的动态响应分析模型,研究其破坏过程,分析主要构件破坏和结构整体破坏之间的关系。
通过以上工作,得到如下结论:
(1)采用考虑前驱效应的作用在结构构件上的爆炸波超压模型,可以较好的模拟在建筑物室内发生爆炸作用时作用在结构构件上的爆炸波作用。
(2)在Johnson-Cook本构模型基础上考虑损伤累积对材料的影响,建立一种考虑材料损伤累积效应的材料失效模型,可以较好的模拟钢材在爆炸冲击荷载作用下的特性。
(3)在爆炸冲击作用下钢柱主要是由于柱脚发生脆性剪切破坏或柱中翼缘局部屈曲而导致整个钢柱发生破坏,与未考虑损伤累积对材料动力性能影响的钢柱极限承载能力相比,采用考虑损伤累积效应材料的失效准则对钢柱进行数值模拟结果表明钢柱极限承载能力降低20%左右,而且两者的破坏形式也不相同。
(4)平面钢框架主要是由于在爆炸过程结束后,产生不可恢复的塑性的钢柱在结构永久荷载作用下失去承载能力,导致整个结构的倒塌。