化爆下单向构件等效单自由度体系相关参数的思考[工程论文]

工程项目管理论文哪里有？本文研究的主要内容如下： （1）考虑了单向构件的跨度，通过有限级数展开法或有限点拟合函数法推导了承受爆炸载荷作用的简支端，固定端和一端简支，另一端固定单向构件的等效单自由度（SDOF）荷载系数表达式，建立相关图像展现了等效荷载系数 KL 和靶距与结构跨度比值（γ）之间的关系。为近场爆炸和远场爆炸的区分点提供了清晰的数值定义，为抗爆设计中选择理论计算公式提供了参考。

1.绪论

1.2 国内外研究现状
A. S. Fallah 等[16]研究了冲击波压力荷载函数形状对连续梁动力响应的影响，分析了半刚性支撑情况的理想连续梁系统中弹塑性变形的特征机理，提出一种求得弹性和弹塑性连续梁最大位移的计算方法。Alireza Kermani 等[17]提出一种模态分析法对爆炸荷载下的简支梁所受直剪响应进行了估计，开发了简支梁用于估算直剪响应的表达式，且该方法与数值模拟分析结果非常一致。龚顺风等[18]运用AUTODYN 软件，采用流固耦合数值模拟方法对近爆作用下的钢筋混凝土板进行了动力响应分析。J. Jones 等[19]提出一种有限差分分析模型，针对爆炸荷载作用下的简支结构构件进行了分析和设计。汪维等[20]使用等效 SDOF 方法重点研究了在爆炸荷载作用下的破坏模式，为了观察和定义混凝土板在爆炸荷载下的破坏模式，实验中设置了三种不同靶距，结果表明，单向钢筋混凝土板的破坏模式与结构跨度和爆炸荷载的数值有关。Nassr等[21]提出了一种新的 SDOF 模型，该模型考虑了爆炸荷载下轴向弯曲荷载的相互作用，等效横向荷载的概念被应用到等效 SDOF 体系的运动方程中，以模拟梁柱的相互作用。为了评估该 SDOF 模型，进行了有限元计算和试样测试[22]。师燕超等[23]针对爆炸荷载作用下的梁/柱，提出了一种新的破坏准则。Chunwei Zhang 等[1]对承受爆炸荷载的各种 RC结构的响应和破坏进行了全面的综述，回顾了各种参数对 RC 结构抗爆性能的影响。发现目前的设计规范可以预测结构的整体挠曲响应，但它们无法捕获 RC 结构的脆性破坏模式和剪切破坏行为。Gholamreza Gholipour 等[24]通过 LS-DYNA 有限元模拟，研究了近场爆炸荷载与不同速率冲击荷载共同作用下简支 RC 梁的残余承载能力和破坏状态。当为冲击-爆炸荷载模式时，梁会遭受更严重的剥落；当为爆炸-冲击荷载模式时，梁的响应模式主要是整体剪切破坏。

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3.远场爆炸下单向构件的等效单自由度体系抗力动力系数

3.1 弹塑性体系的运动方程
3.1.1 等效单自由度微分方程
由于将化学爆炸荷载简化处理为静载类型，可以按照结构静力分析计算的模式来代替动力分析计算，简化了相关参数计算步骤，提高了结构抗爆设计效率，故采用基于抗力动力系数的等效静载完成结构抗爆设计。我国国家标准 GB50038-2005 人民防空地下室设计规范包含爆炸相关计算，将常规武器地面爆炸空气冲击波荷载简化为无升压时间的等冲量线性衰减荷载模式。
就等效单自由度模型来说，工程设计中将弹塑性质量荷载系数之比假定为 1，其物理意义在于结构刚进入塑性状态，随即发生破坏，这显然与抗爆结构应尽可能利用结构塑性变形以提高结构承载力这一实际情况相悖。对动载均布作用于单向构件的场合，其在弹性和塑性两个变形阶段中的振型是不同的，故相同约束情况对应不同变形阶段质量荷载系数不同；又不同约束情况在均布动载作用下的振型不同，故不同约束情况对应相同变形阶段质量荷载系数也不同。显然，同一支撑情况在均布动载作用下的弹性和塑性变形阶段质量荷载系数之比不为 1，工程设计中将其比值约等于 1 会带来误差，结构在爆炸冲击波作用下，构件从部分进入塑性阶段到完全进入塑性阶段这一过程中，实际的质量荷载系数之比相比较近似等于 1 的情况，对结构延性比与动力系数的推导产生的误差为多少，对抗爆设计有何影响，国内外学者鲜有研究。
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4.近场以及远场爆炸情况的实验验证

4.1 简支单向构件近场爆炸实验
4.1.1 实验装置
理论模型的有效性需要通过所得结果与实验数据进行比较来评估。本节将本文计算简支单向构件荷载系数 KL 的理论方法与已有文献的实验数据进行了比较。目前开展单向构件爆炸作用荷载的验证试验较少，本文以 M. Nagata 等（2018）设计的 RC 简支梁结构近场爆炸作用下荷载分布测试实验进行理论验证，该试验装置如图 4-1 所示。

 4-1 M. Nagata et al.（2018）[4]实验装置示意图 

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4.2 简支单向构件远场爆炸实验
本节将本文计算简支单向构件抗力动力系数的理论方法与已有文献的实验数据进行了比较，以 J. Magnusson 和 M. Hallgren（2000）进行的研究 RC 简支梁受到静载荷和爆炸冲击波动载荷作用的实验报告为例进行验证。
试验环中 RC 梁的支撑跨度为 1500mm，横截面宽度为 300mm，高度为 160mm，支撑方式为两端简支。炸药位于激波管横截面中心位置处，与 RC 梁相距 10m，通过前述荷载系数相关研究结论可知，该距离可以视为远场爆炸，作用在梁上的荷载可以认为是均匀分布的。由于 SDOF 方法基于挠曲变形假设，故验证案例采用文献中发生弯曲破坏的梁式构件，梁类型为 B200F-D6，混凝土强度等级为 200F (fibers)，布置有 5 根直径为16mm 的纵向受拉钢筋。从静力实验和爆炸实验得到的实验结果如表 4-3 所示。

表 4-3 J. Magnusson 和 M. Hallgren（2000）[63]实验用例参数（B200F-D6）

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5.结论与展望

5.2 研究展望
本文分析了爆炸荷载作用于单向结构的动力响应，对评估单向构件动力响应的相关参数进行了深入的研究。首先本文从荷载系数的定义出发，考虑了结构的跨度，将等效荷载表达式中与振型有关的余弦函数通过有限级数展开，并将等效荷载表达式求积分，随即得到了考虑结构跨度的荷载系数表达式，明确了近、远爆实际上是相比较结构跨度的一个相对概念，接下来，本文考虑了爆炸荷载下单向构件的最终响应状态，将影响抗力动力系数求解的弹塑性质量荷载系数之比进行了更加精确的评估。综上所述，本文对单向结构抗爆设计的理论研究具有一定的意义，但是一些局限需要被明确，还有很多方面需要在以后的工作中进行研究。
（1）需要明确的是，本文的有关等效 SDOF 体系的研究没有考虑高温和侵彻的影响，此外，本研究基于挠曲变形假设，也就是说假定结构响应为挠曲模式，对于大振幅和短持续时间的爆炸荷载造成的剪切破坏，将会在以后工作中进行分析和研究。
（2）基于 SDOF 方法的荷载系数基于一些近似值，例如，假设结构构件的振型模式与其第一振动模式一致；通过近似公式估算了等效体系的等效参数（质量，刚度和载荷）以及塑性铰的长度。
（3）本文着重介绍了单向构件的动力响应，凭借对其研究为基础，在接下来的工作中，针对除单向构件之外的其他结构形式，通过对现有文献的研究以理论分析为基础，形成具有创新性的分析不同类型结构在爆炸荷载或其他冲击荷载下动力响应的研究思路和研究方法，该方法也必须有一定的可行性。选择有代表性的参数变量进行实验研究，并运用相关有限元程序进行数值模拟来与实验结果进行比较，从而进一步明确不同参数对爆炸荷载下不同类型构件的动力响应的影响。不同结构在爆炸荷载下的动力响应相关理论研究还需要不断完善与深化。
参考文献（略）