爆炸荷载下大跨网壳结构的损伤评估及其抗爆防御设计理论与方法研究

Long-span reticulated dome structure is often considered as a regional landmark and the important public building in China, however, potential safety problems exist due to the deficiency of studies focused on long-span spatial structure subjected to blast loading. The applicant is going to study the failure mechanism, failure model, anti-blasting performance, damage assessment and design approach of long-span reticulated dome structures subjected to blast loading, and that mainly focuses on the following key theoretical problems:1) to propose a refined constitutive model of steel used for reticulated dome, to obtain its mechanical properties, considering the strain rate effects and the acumulation of material damage; 2) to investigate the characteristics and rules of structural dynamic response, the failure modes and the failure mechanism for reticulated dome with long-span under blast loading; 3)to set up the damege model on reliability for reticulated dome subjected to blast loading, to quantitatively evaluate the demage degree; 4) to put forward the reasonable and useful protection approach of anti-blasting design for reticulated dome with long span. The study of the project can obtain the dynamic prformence of reticulated dome subjected to blast loading, establish quantitative damage assessment, form systematic anti-blasting theory and approach, and improve the protection theory and design level of resisting unexpected blast disasters.

大跨空间网壳结构通常作为国内重要的标志性公共建筑，其抗爆理论与试验研究工作的滞后和设计指导的匮乏使结构体系面临严重安全隐患。本项目拟展开爆炸荷载作用下大跨网壳结构的损伤机理与损伤评估、结构抗爆防御性能及其设计方法的研究工作，重点开展：1）研究考虑材料损伤累积及应变率效应的精细化网壳结构常用钢材本构关系模型，获得材料在高速爆炸冲击荷载下的力学性能指标；2）研究大跨网壳结构在爆炸荷载作用下的动力响应特征与规律、破坏模式与分类，揭示爆炸作用下结构失效机理；3）研究爆炸荷载作用下大跨网壳结构基于可靠度的损伤模型，并对结构爆炸破坏结果进行定量化损伤评估；4）研究网壳结构在爆炸荷载作用下的防御设计理论与方法，提出合理有效的网壳抗爆防御措施。通过本项目研究，获得大跨空间网壳结构的动力抗爆性能，建立网壳结构的定量化爆炸损伤评估体系，形成系统的抗爆防御设计理论与方法，提升我国网壳结构突发灾害防御设计水平。

由于爆炸恐怖袭击和偶然事故而导致结构发生破坏的事件频繁发生，而网壳结构作为典型的大跨空间结构，一旦因爆炸而破坏乃至倒塌，将带来重大的生命财产损失，因此，有必要对该类结构开展爆炸作用下受力及抗爆防御性能研究。本项目以有限元软件ANSYS/LS-DYNA为分析平台，建立了爆炸荷载作用下单层球面网壳结构的精细化有限元模型，并考虑了高速爆炸冲击下的材料应变率效应。将Coupling算法、爆炸粒子法（PBM）引入到网壳结构爆炸动力响应分析中，通过与爆炸荷载经验公式、 爆炸试验结果对比后表明：CONWEP算法计算效率高且结果与ALE差异不大，但仅适用于无约束爆炸荷载作用下网壳响应计算；PBM算法适用性较广且计算效率较ALE及Coupling大大提高，特别在比例距离较小时其计算精度良好。开展了球壳内部中心爆炸的测压试验，并通过对壳面上典型位置的爆炸荷载采集，研究了中心内爆作用下球壳爆炸荷载的特点及分布规律；根据球壳几何特性，提出了适用于球壳中心内爆荷载的仿真方法，响应建立了简化的二维计算模型。研究了炸药质量与距离、矢跨比、屋面荷载、跨度等参数对K8型单层球面网壳在外爆荷载作用下的动力响应特征及强度破坏极限状态的影响规律。通过近7000个算例，拟合得到K8型单层球面网壳结构损伤因子表达式，并将损伤因子与不同结构损伤程度破坏时的现象相对应，揭示了网壳结构爆炸损伤与失效机理，定义了K8型单层球面网壳在外部爆炸荷载下的四种破坏模式：轻度破坏，中度破坏，重度破坏，倒塌。将P-I曲线引入到网壳结构在爆炸荷载下的损伤评估中，总结了网壳结构P-I曲线的变化规律及特点，为网壳结构在爆炸荷载作用下的损伤评估提供了有效手段。考察了不同防爆墙高度、位置、长度、材料、厚度以及网壳矢跨比对结构动力响应的影响规律；分析了爆炸冲击波绕流效应及冲击波在防爆墙与建筑物间的反射效应对结构的影响，提出存在“防爆墙危险高度”情况并给出具体数值，为网壳结构的抗爆防御设计提供合理的参考依据。