爆炸作用下钢筋混凝土梁弯剪破坏的等效SDOF评估方法

When designing of blast-resistant buildings or assessing and analyzing of damage effects of buildings under blast loading, the relationship of blast damage effects and explosive source should be found first. As reinforced concrete beams and columns are the main supporting members, assessment of the members under blast loading are an important section of building blast assessment. Based on the Single-Degree-of-Freedom (SDOF) fast analysis method and Pressure-Impulse (P-I) curve assessment method, the main work and achievements of this study are as follows: (1) A method of describing the centralized degree of blast load with respect to blast distance is proposed and set up; (2) For the purpose of using flexure and shear coupled equivalent SDOF systems, the SDOF equivalence load and reinforced concrete beam resistance function with respect centralized degree of blast load are set up; (3) The different damage mode zone of the P-I-ν (ν is the ratio of length to height of the beam) three-dimensional space are plotted. The research work can be served directly on building damage assessment under blast load and has direct military value in weapon damage efficiency and prediction.

无论是进行建筑物结构的抗爆设计，还是爆炸事故中的威力评估或进行爆炸破坏效果评估，首先要做的工作都是建立破坏效果和爆炸威力之间的对应关系。钢筋混凝土梁柱结构作为建筑物的主要承力构件，其爆炸破坏评估是建筑物爆炸评估的重要组成部分。本项目立足于等效SDOF（单自由度）这种快速算法和P-I（压力-冲量）曲线评估方法，（1）提出并建立爆炸距离相关的载荷集中度描述方法；（2）建立载荷集中度相关的等效SDOF载荷和钢筋混凝土梁抗力函数，服务于弯剪耦合破坏等效SDOF系统；（3）绘制P-I-ν（ν为梁的长厚比）三维空间上的破坏模式区间。研究成果能够直接服务于建筑物爆炸破坏评估，在武器毁伤效能预测方面也有明显的军事应用价值。

爆炸加载下建筑物的破坏程度评估在爆炸事故分析、结构抗爆设计、反恐和军事领域均是一个重要的课题。由于涉及到爆炸力学、结构动力学和计算力学等多个学科的相关内容，爆炸破坏评估是一项专业要求较高且非常耗时的工作，因此迫切需要发展一种快速、准确的评估方法。.本项目从爆炸冲击波与钢筋混凝土结构的相互作用及作用于结构上的爆炸载荷的预测，建筑物结构构件在爆炸载荷作用下的动态响应和损伤破坏模式，钢筋混凝土结构在爆炸载荷作用下毁伤破坏的等效单自由度快速分析方法及P-I曲线评估方法等几个方面对爆炸载荷作用下钢筋混凝土结构的动态响应行为和损伤破坏评估方法进行研究，并建立了钢筋混凝土构件爆炸载荷作用下快速评估分析方法。主要研究工作和创新成果包括以下几个方面：.分析了爆炸距离相关的载荷集中度描述方法，考虑了爆炸载荷与装药量ω、爆心距离D、建筑物构件几何参数等因素的相关性，采用爆炸载荷经验公式和数值模拟方法获得构件表面的超压与冲量分布。将爆炸载荷应用在等效SDOF系统中，建立了适用于等效SDOF方法的压力和冲量的载荷描述方法。.对RC梁的弯剪破坏开展了爆炸实验研究。采用非线性动力学程序AUTODYN进行了数值模拟研究，并根据数值模拟结果设计了RC梁的爆炸破坏实验和落锤实验。探索了利用落锤实验获取RC梁抗力函数的实验方法。通过实验考察了数值模拟和等效SDOF算法的准确性。.利用弯剪等效SDOF方法和P-I曲线方法，研究了RC梁弯剪破坏模式的判据。通常在高峰值压力和压力持续时间短的爆炸波作用下，建筑物构件易于发生剪切破坏。基于结构剪切破坏的机理，建立不同于弯曲破坏的等效SDOF力学模型，确定剪切破坏判据以及剪切变形模式下等效质量系数、等效粘性系数、等效荷载系数和等效抗力函数。通过求解建筑物构件剪切破坏的SDOF运动方程，研究建筑物结构在爆炸荷载作用下结构关键部位的动态剪切变形及剪切破坏响应。.此外，为了将研究成果能够推广到整体建筑物的爆炸破坏评估中，项目适当开展了RC板的等效SDOF计算方法，并对爆炸荷载在建筑物表面反射和内部传播效应进行了研究，并建立了工程计算方法。从而将等效SDOF方法推广应用到了整体建筑物在爆炸作用下的破坏仿真和评估中。