爆炸作用下高层钢筋混凝土结构的连续倒塌研究

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当今,由恐怖分子发动的爆炸袭击和由瓦斯、煤气等危险品引发的意外爆炸事故频繁发生,不仅造成大量人员伤亡和财产损失,同时由爆炸荷载引起的建筑结构物局部或整体倒塌等一系列次生灾害,也加重了事件的伤亡与损失。本文使用ANSYS/LS-DYNA有限元软件,分别以典型的框架结构和剪力墙结构为例,研究分析了爆炸荷载作用下高层钢筋混凝土结构的连续倒塌,为结构抗连续倒塌的分析研究提供理论依据。本文主要的研究工作和成果为:(1)采用多尺度建模方法分别建立了高层钢筋混凝土框架结构有限元模型和高层钢筋混凝土剪力墙结构有限元模型,分别选取了有限元模型中所使用的结构模型、材料模型和荷载模型,验证了ANSYS/LS-DYNA有限元软件在爆炸荷载对建筑物的冲击作用研究方面的可靠性。(2)分别研究分析了炸药位于框架结构角柱和边中柱正前方时结构的破坏倒塌及动力响应情况;对比分析了炸药位于角柱与边中柱时建筑物的倒塌过程和倒塌范围。结果表明:当炸药位于钢筋混凝土结构柱正前方时,柱发生剪切破坏失去承载力,同时相邻梁板发生破坏,结构内力重分配使相邻结构严重损伤,最后结构发生局部连续倒塌;在炸药量与距离相同的情况下,对不同位置柱的爆炸,相邻柱的竖向位移和速度时程均不同;炸药位于框架结构边中柱正前方爆炸时结构发生连续倒塌的范围比位于框架结构角柱正前方爆炸时的倒塌范围要广。(3)研究分析了钢筋混凝土框架结构在不同TNT当量炸药爆炸下的动力响应及破坏倒塌情况。研究表明:随着TNT当量的增加,框架结构目标柱纵向受力钢筋的应力峰值、柱顶竖向位移大小及水平X向位移峰值均会相应增加。当TNT当量为2000kg时,炸药位于不同位置爆炸时结构发生的连续倒塌不同。(4)分别研究分析了炸药位于不同位置处剪力墙结构的破坏倒塌过程。结果表明:在受到爆炸冲击时,钢筋混凝土剪力墙L型墙体发生扭转剪切破坏。在TNT当量较小的情况下,结构能够在重力重分配下达到新的平衡;在TNT当量较大的情况下,墙体的破坏较为严重,不足以支撑上部结构,最终结构发生局部连续倒塌。在TNT当量相同的情况下,边中部墙体的失效比角部墙体的失效更能引起结构的局部倒塌。(5)研究分析了剪力墙结构在不同TNT当量炸药爆炸下的动力响应及破坏倒塌情况。研究表明:TNT当量越大,结构发生倒塌越早,倒塌速度越快。
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