大跨空间结构在爆炸荷载下的破坏机理及防御措施研究

大跨空间结构通常作为重要公共建筑的屋盖结构，易于成为恐怖破坏的目标；因此，在设计中应合理考虑爆炸荷载的效应，并采取防御措施，以大幅度减少爆炸袭击带来的危害。申请者以前期研究为基础，对大跨空间结构在爆炸荷载下的失效机理及防御措施开展研究，着重解决以下关键理论问题：（1）研究大跨空间结构在爆炸荷载下的冲击波压力场分布规律，提出冲击波压力场分布的理论模型；（2）研究大跨空间结构在爆炸荷载下的响应特征及其失效模式，揭示其失效机理；（3）提出大跨空间结构的抗爆设计思路，提出适用于工程设计的实用爆炸荷载模型和结构分析方法，研究大跨空间结构的泄爆措施。通过本项目的研究，为大跨空间结构的工程设计提供扎实的理论基础和技术保障，适应当前空间结构快速发展的需要。

大跨空间结构往往是一个地区或区域的标志性建筑和人流密集场所，易于成为恐怖袭击的目标，研究该类建筑在偶然爆炸/冲击下的结构破坏机理，并提出合理可行的防御措施建议，具有重要的意义及应用价值。本课题在此背景下，开展大跨空间结构抗爆领域的系列研究，从材料在高速作用下本构模型、大跨度屋盖结构在爆炸下的压力场分布规律、网壳结构在爆炸荷载下的响应及防御措施，及大跨空间结构抗爆风险评估方法等五个方面均进行了探索，初步形成了大跨空间结构抗爆研究的理论框架。课题取得的具体成果包括：. 开展六组Q235B钢材的系统材性试验：室温到950°C下的单向拉伸试验；室温下应变率从8.33x10-4 s-1到1.667x10-2 s-1下单向拉伸试验；SHTB试验；不同缺口试样拉伸试验；室温下试样扭转试验；室温下圆柱试件的单向压缩试验。通过试验研究了Q235B钢的塑性流动行为、延性及不同应力三轴度下的断裂应变。使用这些试验数据拟合标定了经典Johnson-Cook本构模型和失效准则中的待定参数；为了改进预测结果提出了改进J-C本构和失效模型。该系列试验及研究成果可为今后民用建筑钢结构抗爆/抗冲击的分析提供基础性数据。. 通过数值分析方法研究了两类大跨度屋盖在爆炸荷载下的压力场分布。应用ANSYS/LS-DYNA建立合理的有限元模型，实现大跨度屋盖结构在爆炸荷载下压力场的分析。研究了球壳结构、大跨度平屋盖结构的压力场分布规律，讨论了炸药等效当量、位置等参数对压力场分布的影响。对于大跨度平屋盖体系的超压场进行了简化，提出了简化的数学模型，对于工程应用能够提供参考。. 系统开展了网壳结构在爆炸荷载下的响应及破坏模式研究。系统研究了K8型单层球面网壳在内部偏心爆炸下的响应及失效模式，分析了各种炸药及结构参数对结构响应的影响规律；分别应用流固耦合算法与基于CONWEP算法，对网壳结构在外爆荷载下的响应开展数值分析，同样获得了各种炸药及结构参数对结构动力响应的影响。最后，基于模爆器试验装置，较为精细地设计了试验模型，为后续试验工作开展奠定了良好基础。. 对爆炸荷载下网壳结构的防护措施，包括墙体开洞的泄爆效果，屋面板的选择，杆件加固方法等进行研究并提出防护设计建议。探讨了建筑结构爆炸概率风险评估的方法和步骤，并给出一种评价抗爆防护措施有效性的方法。