内爆炸作用下大跨空间钢结构失效机理与防爆方法研究

Long-span spatial steel structures are widely used in staff-intensive large-scale public buildings, and it could easily result in heavy casualties, property losses and severe social impacts once the buildings suffer the internal bomb attack. Yet, the related researches are weak. In this project, studies on the dynamic responses, failure patterns and mechanisms of the long-span spatial steel structure under internal blast loading and explosion-proof method will be conducted using numerical simulation combined with model experiments. Firstly, the numerical experiments on propagation law of internal blast shockwave inside the long-span spatial steel structures are carried out based on the ALE finite element. And the practical mathematical expressions of shockwave overpressure with explosives TNT equivalent and explosion distance are deduced. Secondly, the Proper Orthogonal Decomposition (POD) method is used to decompose and reconstitute the blast shockwave overpressure. The mass shockwave overpressure spectrums with spatiotemporal asynchrony of waveforms are converted into a limited number of characterization values, and the blast pressure distributions on the large-space structure surface are solved. Then the blast shockwave loading could be quantified and the explosion tests are conducted to verify the results. After that, the dynamic responses, failure patterns and mechanisms of the long-span spatial steel structure under internal blast shockwave overpressure loading are numerically simulated and analyzed, considering the influence of structural geometry and stiffness, non-structure destruction and explosion venting and combined with the test results. Based on that, the explosion protection and venting method and the guidelines of correct use are put forward.

大跨空间钢结构广泛应用于人员活动密集的大型公共建筑，一旦遭遇内爆炸袭击，极易造成重大人员伤亡、财产损失和恶劣社会影响，但相关研究薄弱。本项目采用数值模拟和模型试验相结合的方法，对内爆炸作用下大跨空间钢结构的动力响应、破坏模式、失效机理和防爆方法进行研究。首先，基于ALE有限元，对大跨空间钢结构内爆炸冲击波的传播规律进行数值实验，推演冲击波超压与炸药TNT当量和爆炸点距离之间的数学表达。其次，对爆炸冲击波超压进行本征正交分解法(POD法)分解和重构，使时空不同步的海量冲击波超压频谱转换成有限数量的表征值，获得冲击波压力场在结构表面上的分布，使爆炸冲击波作用数量化并进行试验验证。然后，考虑结构几何及刚度、非结构破坏和泄爆影响并结合试验结果，对大跨空间钢结构在内爆炸冲击波超压作用下的动力响应机制、失效模式和机理进行数值仿真和分析。在此基础上，提出大跨空间钢结构的防爆和泄爆方法及正确使用指引。

大跨空间钢结构广泛应用于人员活动密集的大型公共建筑，一旦遭遇内爆炸袭击，极易造成重大人员伤亡、财产损失和恶劣社会影响，但相关研究薄弱。本项目采用有限元数值仿真、理论计算和试验研究相结合的方法，对大跨空间钢结构在内爆炸下的冲击波传播和分布规律，结构的爆炸动力效应，结构几何及刚度、非结构破坏和泄爆对爆炸效应的影响，以及结构的防爆和抗爆措施等进行了研究。研究内容主要包括：.（1）结构内爆炸冲击波的传播、聚集效应和计算方法；.（2）结构的内爆炸动力响应、破坏模式、损伤和失效机理；.（3）结构几何和刚度、围护结构和泄爆对爆炸效应的影响；.（4）围护结构的泄爆阀值和泄爆效应；.（5）钢材的强冲击材料性能试验、空爆试验和钢网壳模型内爆炸试验。.通过研究，本项目取得以下主要成果：.（1）揭示了内爆炸下，冲击波在大跨空间钢网壳内的传播、聚集规律，提出了准确度更好的冲击波超压计算的修正公式。.（2）基于试验结果，建立了内爆炸下大跨空间钢网壳结构的参数化数值仿真计算模型，能够相当准确地模拟计算大跨空间钢结构的内爆炸、冲击波传播过程、结构失效和破坏模式。.（3）通过研究炸药量、爆炸点位置、刚度、结构空间几何、围护结构开洞与泄爆方式等因素对钢结构球网壳、柱网壳和平板网架内爆炸动力效应的影响，揭示了大跨空间钢结构在内爆炸作用下的动力响应机制、结构损伤和破坏模式、失效机理及其与主要影响因素的关系。.（4）进行了钢材的霍普金森杆材料性能冲击试验、炸药空爆试验。分别完成了强、弱围护结构钢网壳模型的场地大型内爆炸试验和测试，积累了有价值的爆炸试验实测数据。.（5）初步揭示了围护结构泄爆对大跨空间钢结构内爆炸效应的影响规律，以及爆炸效应与墙（屋）面刚度、开洞方式等因素的关系。提出了确定几种钢网壳结构泄爆阀值的方法。.（6）提出了大跨钢网壳结构防爆、抗爆和泄爆的方法以及维护使用的技术指引。.本项目还取得了一些其他成果。