PDF《爆炸荷载作用下钢框架结构》

1 爆炸荷载作用下钢框架结构 连续倒塌数值模拟分析 阎石 齐宝欣 韩扬 李晓杰 沈阳建筑大学 土木工程学院 2010年6月6日,北京 清华大学 第一届建筑结构抗倒塌学术交流会

2 主要研究内容 ? 引言 ? 内部爆炸荷载计算方法 ? 有限元模型建立及分析 ? 结论 清华大学 第一届建筑结构抗倒塌学术交流会

3 引言 ? 随着世界格局的不断变化,恐怖活动越来越多,一些重 要的工业与民用建筑物可能成为恐怖袭击的主要目标.

钢结构作为一种年轻而极具生命力的体系,已经广泛应 用于商业建筑、民用建筑等领域. 清华大学 第一届建筑结构抗倒塌学术交流会

4 引言 ? 我国现行钢结构设计规范主要考虑地震作用、风作用及 楼面荷载作用等,并没有考虑爆炸冲击荷载作用影响. 钢框架结构侧向刚度相对较弱,在爆炸荷载作用下,容 易引起钢结构构件失稳破坏并导致结构整体倒塌.因此,迫切需要采取科学技术手段和方法针对钢结构在爆 炸荷载作用下的破坏模式、传递路径、竖向稳定性和倒 塌机理进行分析. ? 本文考虑内部爆炸荷载作用机理,采用有限元程序 ANSYS/LS-DYNA对平面钢框架结构在室内爆炸冲击荷 载作用下破坏形态及连续倒塌进行了研究. 清华大学 第一届建筑结构抗倒塌学术交流会

5 内部爆炸荷载计算方法 ? 内部爆炸作用机理 当爆炸发生在结构内部时,结构一方面要承受冲击荷载,另一方面由 于结构物的限制作用,爆炸产生高温、高压产物无法及时向外扩散, 导致结构内温度升高,形成准静态的气体压力.结构要承受冲击波和 准静态气体压力的双重荷载作用.因此,先分别计算爆炸冲击波荷载 和准静态气体压力,在通过简化将其叠加在一起. 清华大学 第一届建筑结构抗倒塌学术交流会

6 ( ) ? ? ? ? ? ? ? ? ? =

0 max

1 t t p t p 内部爆炸荷载计算方法 ? 爆炸冲击波荷载计算 max

0 2

1 p t I = 图1 爆炸波压力时程曲线 图2 三角形爆炸压力时程曲线 )

1 ( ) ( r r r T t p t p ? =

1 2 r r r i T p = 在近似计算中所采用的爆炸波压力 时程曲线通常被简化为三角形如图

2 ,计算表达式为 爆炸发生在结构内部时,结构是否开敞 也将成为主要影响因素,例如结构封闭 时将受到严重影响,因为爆炸波会经历 多次再反射的过程.由于再反射压力较 难计算,所以采用线性简化方法来计算 入射和反射压力. 计算表达式为 (1) (2) (3) 清华大学 第一届建筑结构抗倒塌学术交流会

7 0

4 = r i

1 2

3 4

1 2

1 r r r i i i = =

1 2

2 1 r r i i =

1 2

3 4

1 2

1 r r r p p p = =

0 4 = r p 内部爆炸荷载计算方法 Baker (1983)提出了一种再反射波的简 化计算方法,假设在每次反射后峰值压力 减半,再经过三次反射后压力衰减为零, 但每次反射后的作用时间不变. 表达式为 假定

3 2

1 r r r r T T T T = = = . 图3 爆炸波反射压力时程曲线简化模型 假定反射时间为tr(反射时间即 每个爆炸波到达结构内表面的 持续时间),且 ,其中ta 是第一个爆炸波到达结构内表 面的反射时间. a r t t

2 = (4) (5)

1 2

2 1 r r p p = 清华大学 第一届建筑结构抗倒塌学术交流会

8 内部爆炸荷载计算方法 如果反应时间比总的荷载持续时间( )长很多,那么下一步的 简化参照(4)和(5)式,这时三个脉冲可合并成一个脉冲,总的峰值 压力为 ,总的脉冲为 ,即raTt+5132175 .

1 r r r r rT p p p p p = + + =

1 3

2 1

75 .

1 r r r r rT i i i i i = + + = (6) (7) 利用这个假设来评定结构的反应将导致评估结果过高,导致结构设 计较为保守. rT p rT i 清华大学 第一届建筑结构抗倒塌学术交流会

9 内部爆炸荷载计算方法 ? 准静态气体压力的计算 爆炸发生结构内部时,必然引起结构内部 气体的急剧膨胀,此时,结构物要承受双 重作用.除了冲击波作用外,还要承受准 静态气体压力的作用.准静态气体压力时 程曲线如图4所示.当时,为反射压力,且呈线性升高. r a T t t + <

<

5 0 图4 准静态气体压力时程曲线 清华大学 第一届建筑结构抗倒塌学术交流会

10 内部爆炸荷载计算方法 准静态气体压力衰减段时程曲线可以采用近似公式来描述

2 13

1 ( . ) p(t ) p (t )e τ ? =

0 p( t ) p p =

0 1

0 gs p p p p + =

0 0

2 3

1 3 e s e s A ta A ta At [ ][ ] V V V σ α τ = = = (8) ( ) max

0 1

0 0

1 0

0 1

0 0 max max max max

1 ) ( ) ( ) ) ( ( t p e c p t p e c p dt p e p dt p t p i t t ct t ct t g ? ? = ? ? = ? = ? = ? ? ? ∫ ∫ 气体脉冲压力表达式 V a A c s e

0 13 .

2 α = (10)

1 1 max ln

4695 .

0 ln

13 .

2 1 p p = = τ (9) 其中, 清华大学 第一届建筑结构抗倒塌学术交流会

11 内部爆炸荷载计算方法 ? 爆炸压力曲线 由于恐怖分子在对建筑物进行炸弹袭击时主要采用 手提箱或汽车携带炸药,而对于能带到建筑物内部 的炸弹大多采用手提箱携带.一般手提箱最多携带 的炸药量为50公斤左右,在模拟中分别选用5kg、 8kg、10kg、20kg、30kg、40kgTNT炸药,把炸药放 在一层室内中间的地面上.分别计算室内爆炸中一 层边柱,中柱和横梁在爆炸冲击荷载作用下的峰值 压力. 清华大学 第一届建筑结构抗倒塌学术交流会

12 内部爆炸荷载计算方法 a t r a T t +

1 p a t

3 r a T t +

3 2 p a t

5 r a T t +

5 3 p 炸药量 /msec /msec /KPa /msec /msec /KPa /msec /msec /KPa 5kg 2.270 5.776

1571 6.810 10.316 785.5 11.35 14.856 392.75 8kg 1.979 6.297

2529 5.937 10.255 1264.5 9.895 14.213 632.25 10kg 1.855 6.609

3162 5.565 10.319

1581 9.275 14.029 790.5 20kg 1.523 7.109

6186 4.569 10.155

3093 7.615 13.201 1546.5 30kg 1.363 6.144

8947 4.089 8.87 4473.5 6.815 11.596 2236.75 40kg 1.264 5.044

11480 3.792 7.572

5740 6.32 10.1

2870 表1 底层边柱和中柱表面反射压力值 清华大学 第一届建筑结构抗倒塌学术交流会

13 内部爆炸荷载计算方法 a t r a T t +

1 p a t

3 r a T t +

3 2 p a t

5 r a T t +

5 3 p 炸药量 /msec /msec /KPa /msec /msec /KPa /msec /msec /KPa 5kg 3.19 6.737 905.7 9.57 13.117 452.85 15.95 19.497 226.425 8kg 2.786 6.87

1453 8.358 12.442 726.5 13.93 18.014 363.25 10kg 2.61 7.08

1823 7.83 12.3 911.5 13.05 17.52 455.75 20kg 2.134 8.154

3655 6.402 12.422 1827.5 10.67 16.69 913.75 30kg 1.901 8.527

5414 5.703 12.329

2707 9.505 16.131 1353.5 40kg 1.755 8.374

7083 5.265 11.884 3541.5 8.775 15.394 1770.75 表2 底层梁表面反射压力值 清华大学 第一届建筑结构抗倒塌学术交流会

14 有限元模型建立及分析 ? 计算模型介绍 选取一榀六层三跨平面钢框架,跨度均为6m,层高 3.6m;

梁截面300*300*10*16mm(高*宽*腹板厚*翼缘厚),边 柱截面400*300*10*16mm,中柱截面 500*300*10*16mm;

钢材弹性模量为2.06*105MPa,密度为7.85*103kg/m3,屈 服强度为345MPa,考虑应变率失效取值0.01, 梁上均 作用均布荷载70kN/m;

计算模型中梁柱单元采用Beam161单元,材料采用同向 随动强化模型Plastic kinematics模型如图5所示;

梁柱上分别施加计算出的爆炸冲击荷载,加载方式考虑 两种工况,如图6所示. 图5有限元模型 图6施加爆炸荷载工况 清华大学 第一届建筑结构抗倒塌学术交流会

15 有限元模型建立及分析 与应变率相关的各向同性随动硬化模 型Plastic kinematics模型 ) ]( ) (

1 [

0 1 eff p p p y E c ε β σ ε σ + + = ? 试中 ――初始屈服应力 ――应变率 ――Cowper-symonds应变 率参数 ―― 有效塑性应变 ――塑性硬化模量 ? ε

0 σ p c、 eff ε p E (11) 定义该模型需要的参数 弹性模量(EX) 密度(DENS) 泊松比(NUXY) 屈服强度(Yeild Stress) 切线模量(Tangent Modulus) 硬化参数(hardening parm) 应变率参数 失效应变(Faliure Strain) p c、 清华大学 第一届建筑结构抗倒塌学术交流会

16 有限元模型建立及分析 ? 计算结果分析 ? 爆点位于底层边跨时钢框架结构破坏模式分析 图7 炸药量与横梁跨中位移关系图 如图7所示,横梁跨中位移随着炸药 量的增加成非线性变化. 在炸药量为5kg-10kg时,横梁在爆 炸荷载作用下受弯破坏. 当炸药量为20kg-40kg时,横梁两端 约束逐渐失效,整体竖向跌落. 清华大学 第一届建筑结构抗倒塌学术交流会

17 有限元模型建立及分析 图8 炸药量与边柱和中柱跨中位移关系图 如图8所示,边柱和中柱的跨中位移 与炸药量的关系是非线性的.在相同 炸药量时,边柱的跨中位移比中柱 大,说明在爆炸荷载作用下,边柱比 中柱更容易破坏. 清华大学 第一届建筑结构抗倒塌学术交流会

18 有限元模型建立及分析 ? 引进参数 ........