受火侵袭钢拱结构的失效行为和冲击动力屈曲研究

Based on the increasing demand for the structural fire and blast resistant design, this project aims to achieve a better understanding of the in-plane snap through instability and the out-of-plane flexural torsional buckling of the steel arch when subjected to blast and fire loading. The project involves three major research contents. (1) Within the framework of the deformed configuration, propose an unified mechanical model for the planar arch when it's exposed to coupled impact and fire environment. This numerical model will capture the large deformation behavior associated with the occurrence of the snap through buckling, and provide an reliable approach to quantify its dynamic response, critical temperature and impulsive loading. (2) Derive the dynamic lateral torsional buckling equations for the spatial arch considering the effect of Wagner and bimoment, and develop a numerical model based on the temperature-related constitutive relationships. Then, the detailed characteristic response of the LTB will be revealed by means of the parametric analysis. (3) Experimentally study the behaviour of steel arches under fire and impact using furnace and drop hammer system, respectively. The failure mechanism will be identified and be further adopted to calibrate the validity of the numerical model. The project will facilitate the better prediction of the performance and critical conditions for the instability of steel arch when subjected to combined impact and fire events, and the development for the impact and fire safety provisions to protect public buildings.

基于结构抗火和抗爆工程背景，开展钢拱结构在冲击与火载荷作用下的响应与屈曲研究，重点考察其在载荷平面内的跳跃失稳和平面外的弯扭屈曲行为。主要研究内容为:(1) 对于平面拱，建立冲击和火载荷作用下结构行为分析的统一计算模型。该模型以变形后坐标描述的运动方程为基础，能够准确模拟拱结构的大变形响应、失效行为和跳跃屈曲，从而为开展可靠的响应评估和临界温度、爆炸极限载荷预测提供有效分析手段。(2) 对于空间拱，建立能够反映Wagner效应和双力矩作用的动力弯扭屈曲运动方程，配合热膨胀变形和温度依赖的本构关系，构建火载荷作用下的计算模型，并通过精细参数分析，揭示结构的弯扭屈曲特征。(3) 通过落锤与火的实验系统开展钢拱承受冲击和火载荷的行为观测，考察结构的响应模式和失效机制，并检验计算模型的有效性。综上系统分析，将阐明极端载荷场景下拱结构发生屈曲的临界条件，并提出相应的抗火、抗爆设计原则。

基于结构抗火和抗爆工程背景，通过综合运用试验观察、理论分析和数值模拟手段，本课题系统开展了钢拱结构在冲击与火载荷作用下的响应行为与屈曲特征研究。主要研究工作归纳如下：.1）试验研究方面：应用大型火炉装置，基于独立研发的加载和测试装置开展了钢拱在载荷和温度耦合作用下的系列试验，对大型钢拱结构在火高温环境中的行为进行了直接的观察，系国内外首次。试验表明，拱结构屈曲行为强烈依赖于预加载荷水平和环境温度，其临界值随两者的升高而急剧降低且敏感于构件初始几何缺陷。应用落锤冲击系统和空气炮装置，分别开展了针对I形和矩形截面钢拱结构的低、中速冲击试验。试验结果表明，对于I形拱结构，垂直于强轴的冲击加载将使得拱结构经历短暂面内竖向变形后快速演变为平面外弯扭屈曲，面内和面外塑性变形数值对于冲击动能和初始几何缺陷都具有较高敏感性；对于矩形截面拱结构，垂直于弱轴的撞击将使其先后经历以轴压力、弯矩、轴拉力控制的响应模式，结构最终塑性变形量对于某个撞击动能区间具有较高敏感性，在此范围内，微小的速度增量将导致结构塑性变形的剧烈增加。准确的几何缺陷表征和可靠的加载是此类试验成功开展的重要因素。2）理论和数值模拟方面：以变形后坐标描述的运动方程为基础，充分考虑材料力学性能随温度变化的退化特征，建立了冲击和火耦合作用下拱结构平面内行为分析的统一计算模型，并通过自编程序或商用软件的子程序方式予以实现，且已通过试验数据的验证。在此基础上，通过精细参数分析，深入考察了结构的弯扭屈曲和跳跃失稳的影响因素和发生机理。总起来说，本项目研发了用于考察冲击与火作用下钢拱力学行为的试验装置和方法，特别是进行了大型的钢拱结构抗火试验，发展了用于响应行为预测的理论模型并给予了验证，考察了火与冲击等极端载荷场景下拱结构力学行为的影响因素、临界条件和响应机制，为进一步提出和完善抗火、抗爆设计原则奠定了基础。一些研究成果将在今后陆续发表。