氢能,被公认为21世纪最具发展前景的清洁能源,但在生产、储运和使用的过程中极易发生爆炸事故,并对桥梁、建筑物等工程结构造成严重损伤和破坏,导致重大人员伤亡和财产损失。压力泄爆技术作为爆炸防护的重要手段之一,在工业生产和日常生活中普遍存在,而目前对于具有泄爆设计结构的动力响应研究却相对匮乏。爆炸荷载是一种随时间剧烈变化的特殊动态荷载,结构在爆炸荷载作用下的动力响应特性与抗震、抗风等振动问题不同,且与结构自身固有特性密切相关,因此,只有明晰结构泄爆过程中爆炸荷载和结构动力响应演化规律,才能准确掌握结构的抗爆能力,为相应防护措施的设计提供理论依据。正是基于这样的考虑,本文在国家重点研发计划“氢能利用中安全泄爆研究”(编号:2016YFE0113400)等课题的资助下,通过自主设计搭建的12m×2.5m×2.5m大尺度ISO标准容器氢气泄爆实验平台,以土木工程中常见的加筋板结构为对象,实验研究了氢气泄爆作用下超压荷载及结构动力响应特征,而后为进一步分析结构动力特性,根据环境动力测试结果和有限元修正技术建立了可用于氢气泄爆作用下结构动力响应预测的基准有限元模型,在验证了数值模型的准确性和有效性后,对加筋板结构进行了参数分析,以探究结构关键参数对结构抗爆能力的影响。本文研究成果为氢气泄爆作用下荷载简化模型的确定及结构动力响应演化规律的分析提供了前期基础和依据。论文的主要研究工作和结论包括:1.顶部泄爆实验结果表明,爆炸压力主要由破膜泄流压力峰值和声学振荡压力峰值主导。其中,前者变化过程由3阶段组成:第1阶段曲线呈指数形式上升,指数随氢气浓度增加而增加,第2阶段压力近似直线迅速衰减,第3阶段压力出现回弹,这与外部爆炸等因素有关,随后缓慢衰减至环境压力附近。端面泄爆实验结果表明,受泄压、外部爆炸、不稳定性燃烧等因素影响,爆炸压力曲线出现多个峰值,并伴随亥姆霍兹振荡。超压波形可分为两个阶段,第1阶段峰值个数受初始条件影响,并产生负超压峰值,第二阶段为亥姆霍兹振荡,波形近似呈正弦函数变化,振幅呈指数形式衰减,而振动频率在8~13Hz之间,由于存在波动,并没有体现出较好的数学函数关系。上述对爆炸荷载曲线特征的分析为建立用于工程实际应用的荷载简化模型奠定了良好的基础。2.实测数据表明,在泄爆过程中结构位移主要表现为两种不同的模式。不考虑压力声学振荡时,由于爆炸荷载作用时间相对结构固有周期较长,属于准静态荷载,结构响应与静载作用下结构响应类似,位移与超压波形变化趋势保持一致,且正超压峰值与位移峰值之间存在线性关系,其中端面泄爆压力振荡阶段超压与位移峰值的比值要小于爆炸初期两者比值,这表明此时爆炸荷载具有动力效应,位移放大系数约为1.89。此外,负超压峰值与位移峰值之间未发现明显的数学函数关系;当超压荷载出现高频声学振荡时,结构则表现为低频振动,并存在两个明显的主频分布在20Hz和30Hz左右,这与结构低阶模态频率相近。3.实测数据表明,结构加速度前后存在明显的低、高幅值双峰现象,其中低幅值振动是由于在爆炸后期,超压荷载变化速率较快,结构产生动力运动,但此时外荷载仍主要由结构自身恢复力平衡,因此加速度幅值较小;高幅值振动则是由于声学振荡压力的作用,此时结构还未来得及产生变形,荷载即发生变化,结构外力的平衡主要依靠惯性力,故而加速度幅值较大,且时程曲线波形与压力曲线波形相似。此外,时频分析结果表明,高幅值加速度振动阶段,其频域特性和超压频域特性相一致,当氢气浓度为16 vol.%时,可以看到两者均以400Hz左右为主频进行振荡,而随着氢气浓度的增加,振动频带范围逐渐变宽,并且随着时间的推移振动主频随之升高。4.高昂的试验成本以及爆炸试验的危险性等增加了现场实验的难度,而数值模拟方法可以综合考虑不同工况下爆炸荷载作用,对结构进行整体和局部的动力分析,还可以通过改变模型参数代替部分难以实施的实验。因此,为进一步分析氢气泄爆作用下结构动力响应特性,本文首先结合方舱自身结构特点,通过ANSYS有限元软件建立了结构的有限元模型,并对结构进行了理论模态分析,结果表明,结构整体振型可视作各面板振型之间的组合,且面板各阶振型与四边固支薄板振型相似。而后为获得结构实际固有动力特性,对方舱进行了现场环境动力测试,分别用频域分解法和随机子空间法获得结构试验模态参数识别结果,并通过与理论模态分析结果的对比,对初始有限元模型进行了修正,建立了可用于氢气泄爆作用下结构动力响应预测的基准有限元模型。5.基于已建立的结构基准有限元模型,以实测超压数据作为荷载输入,采取分区加载的方式,通过对实验工况的数值模拟,验证了数值模拟和实测结果的有效性及准确性。研究结果表明,各面板变形区域内位移变化连续,这是由于加强筋刚度相对薄弱,面板传递给加强筋的载荷作用使加强筋迅速进入变形机构,故而未出现以加强筋为边界的局部变形。最后,对加筋板的参数分析结果表明,边界条件对结构变形影响较大,结构位移峰值随面板厚度和加强筋高度的增加近似线性减小,约束加强筋两端能够有效提高结构抗爆能力。