爆炸荷载作用下钢框架动力响应有限元分析

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由于各式各样的爆炸作用,导致了结构的破坏,造成了巨大的生命和财产损失。这也就是为什么结构抗暴研究,在全世界的土木工程研究领域越来越成为热点的原因。但是,关于钢框架在爆炸荷载作用下的相关研究却比较少。所以,本论文通过有限元模型的建立,并对其进行数值模拟,以分析钢结构框架在爆炸荷载作用下,梁、柱截面细微的动力响应和变化规律,试图找出其破坏的薄弱环节,并考量其安全性和稳定性。 模型的建立选用了具有强大显式动力分析功能的ANSYA/LS—DYNA程序,采用Solid164显式单元进行数值模拟。适用于各向同性的、塑性动力硬化,并且具有变率效应的材料MAT_PLASTIC_KINEMATIC被用来定义Q235钢的本构模型;并采用具有大应变、高应变率,以及高压力的混凝土模型Johnson—Holmquist—Concrete模型,来定义混凝土楼板的本构关系;而直接应用程序特有的高能炸药材料模型,且结合其状态方程模拟炸药的作用;同样定义空气的状态方程进行空气的模拟。最终通过共节点,节点耦合,流固耦合实现“钢框架—楼板—空气—炸药”之间力的传递与相互作用。 本论文分别分析了两层钢框架在没有混凝土楼板和有混凝土楼板参与时,在爆炸荷载作用下的动力响应。通过对其塑性应变—时程曲线,有效应力—时程曲线,位移—时程曲线,分析后发现: 爆炸冲击荷载直接作用时间极其短暂,结构动力响应变化复杂,且成周期性变化;梁、柱相交节点区域应力最大,柱相关单元首先会进入塑性,且单元失效也先出现在该区域的柱上;当施工阶段无楼板参与时,梁单元基本处于弹性工作状态;有楼板参与作用时,梁单元于跨中和与柱相交的节点区域首先进入塑性,梁单元在竖向荷载设计值作用下,扭曲现象明显;钢框架单元的失效,主要是由于其塑性应变值达到其极限值所致,而不是应力达到所谓的“最大值”所决定的;钢框架直接受爆炸源作用的区域,动力响应相对要快于远离其作用的区域,且影响的程度要大;爆炸荷载虽未使结构直接产生破坏,却使的钢框架相应单元和截面发生局部屈曲和扭转变形,最终在竖向恒载和活载设计值作用下,由于变形过大而导致局部构件,乃至整个结构体系的破坏。
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