燃气爆炸荷载对钢筋混凝土框架填充墙的破坏机理及加固技术研究

In recent years, gas explosion accidents in the civil buildings occurred frequently, which have resulted in a significant loss of people and property. Masonry structure was designed primarily to resist the vertical load and play a role of the envelope in conventional reinforced concrete frame structures, which is the weak member in structure. Masonry structures prone to brittle fracture under lateral explosion shock loads, and people and facilities internal and external of building will be injured greatly by these fracture fragments. Anti-blast design of the masonry structure was primarily against explosive blast load in the past, research on that masonry infilled wall in reinforced concrete frame damaged and destroyed due to gas explosion is very lack. In this subject, the model of calculating the gas explosion load in the classical civil residences will be established, and the characteristics and laws of the propagation and explosion after gas leakage will be investigated theoretically, numerically and experimentally. By establishing the strain-rate dependent dynamic damage constitutive model of the bricks, the method of simulating the brick wall under the gas blast will be proposed with the comprehensive methods of numerical analysis combining computational fluid dynamics software - AutoReaGas and dynamic finite element software - LS-DYNA. Based on revealing the damage and failure mechanism of the brick wall under gas blast load, effective method and measures in the anti-blast design and retrofitting of the building structures will be presented.

近年来，民用建筑内燃气爆炸事故频发，造成了重大人员和财产的损失。在常用的钢筋混凝土框架结构中砌体结构设计目的主要是抵抗竖向荷载并起到围护作用，是结构中的薄弱构件，在横向爆炸荷载作用下易发生脆性断裂破坏，砌体断裂形成的碎片还会对建筑物内部或外部的人员和设施造成进一步的伤害。以往砌体结构抗爆设计计算主要是针对炸药爆炸荷载，对燃气爆炸作用下损伤破坏和设计计算的研究十分欠缺。本项目拟通过试验研究、理论分析和数值模拟相结合的研究方法，建立典型住宅建筑中燃气爆炸荷载的计算模型,揭示燃气泄漏传播、燃爆的特点与规律；采用计算流体动力学软件AutoReaGas与动力有限元软件LS-DYNA相结合的数值分析手段，并建立考虑高应变速率作用的砖墙材料动态损伤本构模型，以准确描述燃气爆炸作用下砌体填充墙的损伤破坏全过程。在揭示砌体填充墙的损伤破坏机理的基础上，提出框架填充墙抗燃气爆炸的有效加固措施。

近年来，民用建筑内燃气爆炸事故频发，造成了重大人员和财产的损失。在常用的钢筋混凝土框架结构中，砌体结构设计的目的主要是抵抗竖向荷载并起到围护作用，是结构中的薄弱构件，在横向爆炸荷载作用下易发生脆性断裂破坏，砌体断裂形成的碎片还会对建筑物内部或外部的人员和设施造成进一步的伤害。以往砌体结构抗爆设计计算主要是针对炸药爆炸荷载，对燃气爆炸作用下损伤破坏和设计计算的研究十分欠缺。本项目执行期间，课题组分别从荷载模型和结构响应层次开展研究，通过试验、理论及数值相结合的方法，对燃气爆炸荷载对钢筋混凝土框架填充墙的破坏机理及加固技术进行了研究。荷载模型方面，研制了开敞空间和泄爆空间可燃气体爆炸试验装置各一套，通过大量实验，建立了开敞空间燃气爆炸荷载模型，得到了典型的泄爆空间爆炸荷载曲线，并结合试验结果给出了减轻建筑物内可燃气体爆炸灾害的建议。结构响应方面，建立了一套可燃气体爆炸作用下多孔砖填充墙动力响应试验系统，对多孔砖填充墙、加气混凝土填充墙和多种FRP加固方式的多孔砖填充墙、BFRP加固加气混凝土填充墙在可燃气体爆炸作用下的动力响应进行了试验研究，通过各材料分离建模的方式，建立了CFRP加固多孔砖填充墙和BFRP加固加气混凝土填充墙的精细化有限元模型，数值分析了燃气爆炸荷载作用下CFRP加固多孔砖墙、BFRP加固加气混凝土填充墙与未加固墙的变形发展以及损伤破坏过程，进一步分析CFRP抗爆加固优化方案。相关研究内容发表学术论文13篇，其中SCI检索3篇，EI检索8篇；授权国家实用新型专利5项，申请国家发明专利4项；获批计算机软件著作权2项；参加国际/国内会议学术交流活动11次，培养了博士生2名，硕士生4名。本项目的研究填补了国内外钢筋混凝土框架填充墙在燃气爆炸响应方面研究的空白，为今后进一步地深入研究防灾结构设计以及灾后结构加固提供了科学技术基础和依据。