爆炸作用下地下钢筋混凝土拱结构动力破坏理论与试验研究

For sake of obtaining a more fundamental unerstanding of the dynamic response and collapse mechanism of a buried reinforced concrete arch subjected to conventional weapons explosion,experimental studies and theoretical approaches will be employed.Based on traditional reflective coefficient method,making use of empirical formulas of the blast free field stress and dynamic soil-structure interaction theory,a new reflective coefficient method suitable for arches will be proposed by virtual work principle.Model structure field explosive test will be designed to determine the distribution of radial stress on the arch interface.The distribution and attenuation of radial dynamic loading on arch interface will be analyzed to verify and modify the new reflective coefficient method.The loading formula which suitable for designing buried arch anti-conventional weapons explosion will be presented.Arch collapse mode subjected to blast loading will be analysed through field test.The damage and fracture situation of structure will be determined by analyzing the cracks distribution and size on structure surface.Through analyzing arch cross-section plastic collapse,reasonable section damage assessment models will be established to assess arch section damage situation under dynamic loading.According to arch section damage,damaged arches structural models will be built.The correlation between arch structure damage modes and the plastic collapse load can be obtained through damaged structural models,making full use of the plastic capacity of the cross-section and possible redistribution of internal forces after formation of the first hinge.The rules of plastic hinge theory will be employed to arrive at a plastic collapse load.The limit load analyses method will be presented which suitable for arch structure plastic damage under conventional weapons explosion.

课题采用试验研究和理论分析相结合的方法，针对爆炸作用下地下钢筋混凝土拱结构的动态响应及破坏机理进行研究。基于反射系数计算方法，结合自由场应力的计算，通过动力相互作用理论，利用虚功原理建立拱结构动力荷载计算的综合反射系数方法。设计结构模型试验，利用爆炸试验测试拱结构表面径向荷载分布，分析拱结构表面动力荷载的分布与衰减规律，对比验证并修正综合反射系数计算方法，提出适用于地下拱结构抗爆设计的荷载计算公式。通过试验分析爆炸作用下拱结构的破坏模式。针对结构表面裂纹的分布和裂纹尺寸的分析，确定结构的损伤与断裂破坏情况。对拱结构截面的损伤进行分析，建立截面损伤模型评估拱截面的受损程度。针对截面损伤，利用塑性铰理论，建立结构损伤模型，分析结构的极限承载能力，得到拱结构宏观破坏模式与结构极限承载力的相互关系，提出爆炸荷载作用下拱结构塑性破坏的塑性极限分析方法。

常规武器的发展，地下防护工程面临直接命中威胁。较核爆相比，化爆条件下地下拱结构试验研究少，荷载的加载方式由面荷载向点荷载转变，荷载升压时间短且局部效应凸显，其结构响应和破坏模式有待进一步探究。. 课题综合采用试验、模拟和理论分析的方法，对地下拱结构的抗化爆动力响应及力学性能进行了研究。利用模型抗爆试验，测试了拱结构表面荷载分布数据，分析了结构表面动荷载的分布与衰减规律，对比验证综合反射系数计算方法，提出了地下拱结构抗化爆设计的荷载计算方法。利用分段模型，开展了拱结构未加固段和CFRPs加固段的对比试验，揭示了对比结构段的破坏特征：未加固结构内表面出现震塌、钢筋断裂和宏观裂纹等现象；CFRPs加固段表现为微裂纹区的形成、CFRPs剥离以及结构的宏观裂纹。CFRPs加固能有效抑制混凝土剥离和钢筋断裂，延缓宏观裂纹的形成，提高结构刚度及承载能力。采用分离式模型建模，对不同当量TNT作用下半圆拱的弹塑性动力响应进行了分析。结果表明：FRP对结构变形和塌落破坏有抑制作用；FRP和混凝土界面的过早剥离是导致FRP加固效果及其力学性能未得到充分发挥的主要原因。针对受损拱结构的裂纹条数和位置，采用TrueGrid网格模型，系统分析了地下受损拱结构的抗爆能力。结果显示：单一裂缝存在时，裂缝位置对于损伤结构的抗爆能力影响较大。裂缝在拱顶正中时，抗爆能力约剩余80%；裂缝在拱脚位置处时，抗爆能力约剩余30%，且裂缝垂直于底板时影响最大。多条裂缝存在时，拱结构的抗爆能力由其中对抗爆能力影响最大的裂缝决定。基于矩形截面屈服条件，利用迭代法给出了两端简支和固支拱结构在均布荷载作用下的塑性极限荷载；在理想弹塑性抗力模型基础上，利用虚功原理，建立了结构塑性动力响应运动微分方程，求解了结构塑性动力响应解析解；利用做功等效，给出了多自由度条件下结构塑性综合反射系数的计算方法。项目的研究成果对于指导拱形防护结构的建设具有重要的理论意义和广泛的工程应用价值。