本文關鍵詞：中心內爆作用下單層球面網殼爆炸荷載及失效機理研究

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【摘要】：大跨空間結構被廣泛地應用于各種綜合體育場館、交通樞紐車站、航站樓、綜合型會展中心,以及集群式工業(yè)廠房等大型公共設施。近年來,由于恐怖襲擊和偶然事故引發(fā)爆炸而導致結構發(fā)生破壞的事故頻繁發(fā)生。作為城市地標性建筑的大跨空間結構不僅聚集了大量的人流,而且還承擔著一定的政治意義,此類建筑一旦遭受爆炸將會造成不可估量的經濟損失。因此,開展爆炸作用下大跨空間結構的研究具有重要意義和很高的應用價值。當前對于爆炸作用下的結構響應研究仍然較多地集中于構件層面或者尺寸較小的簡單結構體系,爆炸作用下大跨空間結構的相關研究成果還比較少,并且存在著許多尚未解決的問題。例如,爆炸荷載因其所作用目標物的形狀不同而變化,現(xiàn)有的資料無法為大跨空間結構的爆炸荷載分布提供直接有效的荷載數(shù)據(jù);大跨空間結構爆炸荷載的相關試驗空缺,導致關于爆炸荷載的數(shù)值模擬所得到的結論缺乏檢驗標準;爆炸作用下大跨空間結構的失效機理尚不明確,無法為大跨空間結構的抗爆設計提供有效的建議;由于受到計算能力的制約,一直以來使用傳統(tǒng)的流固耦合方法對大跨空間結構爆炸問題的分析效率低下,導致許多基于大規(guī)模計算的研究工作都無法得以順利地開展�；谝陨系姆N種問題,本文以單層球面網殼內部中心爆炸問題為研究對象,進行系列研究,開展的主要研究內容如下:(1)針對大跨空間結構缺乏爆炸荷載相關試驗的研究現(xiàn)狀,設計并開展了球殼內部中心爆炸的測壓試驗。并通過對殼面上典型位置的爆炸荷載采集,研究了中心內爆作用下球殼爆炸荷載的特點及分布規(guī)律。根據(jù)球殼自身的幾何特性,提出了適用于球殼中心內爆荷載的仿真方法,并建立了簡化的二維計算模型,通過兩項爆炸試驗測壓數(shù)據(jù)對AUTODYN模擬完全約束爆炸荷載的方法及參數(shù)設置的正確性進行了驗證。(2)根據(jù)球形曲面殼體結構的特點,結合考察球殼內部爆炸荷載的主要特性,提出了適用于大跨空間結構爆炸荷載的簡化原則。根據(jù)爆炸相似律,建立了研究大尺寸球面網殼內爆荷載的有效方法,并對比例距離,矢跨比和高跨比三個參數(shù)對爆炸荷載的影響進行了研究,得到了球形殼體內部爆炸荷載的分布規(guī)律�；趯缺奢d分布的參數(shù)分析結果,建立了可廣泛應用于球面網殼中心內爆荷載預測的簡化荷載模型。對荷載模型的使用方法進行了介紹,并對其預測球殼內爆荷載的精度進行了驗證。(3)通過LS-DYNA建立了爆炸作用下單層球面網殼的有限元模型;為了在爆炸作用分析中考慮重力作用的影響,提出了一種能夠考慮重力影響的結構響應分析技術�；诖罅繒r程分析算例,定義了內爆作用下單層球面網殼的五種失效模式,并對其動力響應特性及其失效機理進行了闡述。通過荷載參數(shù)及結構參數(shù)的變化,分別給出了內爆作用下單層球面網殼失效模式的分布規(guī)律。(4)對內爆作用下單層球面網殼失效模式的反直觀現(xiàn)象展開研究,通過總勢能理論,從能量的角度解釋了微折雙桿體系發(fā)生反直觀現(xiàn)象的根本原因,并使用數(shù)值模擬的方法從大量算例中獲得了其發(fā)生反直觀現(xiàn)象的臨界荷載。進一步討論了懸臂梁出現(xiàn)各種失效模式的內在原因,并通過數(shù)值計算驗證了爆炸作用下懸臂梁和網殼結構的五種典型失效模式。通過對懸臂梁內部初始應力狀態(tài)對其最終失效模式影響的討論,研究了自重作用對懸臂梁反直觀現(xiàn)象的影響。然后,通過總勢能圖揭示了單層球面網殼在爆炸及自重的共同作用下失效模式出現(xiàn)反直觀現(xiàn)象的本質。最后,依據(jù)以上成果對網殼結構的抗爆防倒塌設計提出具體建議。
【關鍵詞】：單層球面網殼 失效機理 爆炸荷載 動力響應 反直觀現(xiàn)象
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TU399;TU352.13
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-14
• 第1章 緒論14-24
• 1.1 課題背景14-16
• 1.2 國內外研究現(xiàn)狀16-22
• 1.2.1 建筑物上爆炸荷載的研究16-18
• 1.2.2 爆炸作用下結構動力響應的研究18-22
• 1.2.3 大跨空間結構遭受爆炸作用的研究22
• 1.3 本文主要研究內容22-24
• 第2章 球殼內爆測壓試驗及數(shù)值模擬24-49
• 2.1 引言24
• 2.2 爆炸及沖擊波24-25
• 2.2.1 爆轟及沖擊波的傳播24-25
• 2.2.2 沖擊波的反射25
• 2.3 球殼內爆測壓試驗25-39
• 2.3.1 試驗目的及方案25-27
• 2.3.2 試驗現(xiàn)場準備工作27-32
• 2.3.3 試驗結果32-39
• 2.4 完全約束爆炸荷載的研究方法39-48
• 2.4.1 球殼內爆測壓試驗的模擬39-45
• 2.4.2 DSTO爆室內爆測壓試驗的模擬45-48
• 2.5 本章小結48-49
• 第3章 球殼內爆壓力場及簡化荷載模型49-66
• 3.1 引言49
• 3.2 球殼爆炸荷載主要特性及研究方法49-56
• 3.2.1 球殼爆炸荷載的主要特性49-52
• 3.2.2 球面網殼中心內爆荷載研究方法52-56
• 3.3 球殼內部中心爆炸荷載的規(guī)律56-59
• 3.3.1 比例距離的影響56-57
• 3.3.2 矢跨比的影響57-58
• 3.3.3 高跨比的影響58-59
• 3.4 球殼中心內爆簡化荷載模型59-65
• 3.4.1 基準分布60-61
• 3.4.2 修正系數(shù)61-62
• 3.4.3 簡化荷載模型的應用舉例62-65
• 3.5 本章小結65-66
• 第4章 內爆作用下球面網殼的失效模式66-91
• 4.1 引言66
• 4.2 內爆作用下球面殼殼動力響應研究方法66-70
• 4.2.1 研究方法66-68
• 4.2.2 分析模型68-70
• 4.3 球面網殼中心內爆的失效模式與失效機理70-84
• 4.3.1 失效模式一：小幅振動71-73
• 4.3.2 失效模式二：局部凹陷73-75
• 4.3.3 失效模式三：沖脹變形75-77
• 4.3.4 失效模式四：整體塌陷77-80
• 4.3.5 失效模式五：沖破破壞80-82
• 4.3.6 內爆作用下球面網殼的失效機理82-84
• 4.4 球面網殼失效模式的分布規(guī)律84-89
• 4.4.1 均布脈沖作用下球面網殼失效規(guī)律研究84-86
• 4.4.2 基于內爆荷載模型的球面網殼失效規(guī)律研究86-89
• 4.5 本章小結89-91
• 第5章 內爆作用下球面網殼反直觀失效機理91-115
• 5.1 引言91
• 5.2 結構動力響應反直觀現(xiàn)象91-92
• 5.3 總勢能理論與反直觀現(xiàn)象92-101
• 5.3.1 Simitses總勢能理論92-94
• 5.3.2 總勢能理論與微折雙桿體系的反直觀現(xiàn)象94-100
• 5.3.3 球面網殼的反直觀現(xiàn)象100-101
• 5.4 爆炸作用對反直觀現(xiàn)象的影響101-107
• 5.4.1 爆炸作用對懸臂梁反直觀的影響101-106
• 5.4.2 爆炸作用對球面網殼反直觀的影響106-107
• 5.5 自重作用對反直觀現(xiàn)象的影響107-113
• 5.5.1 自重作用對懸臂梁反直觀的影響108-111
• 5.5.2 自重作用對球面網殼反直觀的影響111-113
• 5.6 本章小結113-115
• 結論115-117
• 參考文獻117-126
• 攻讀博士學位期間發(fā)表的論文及其它成果126-129
• 致謝129-131
• 個人簡歷131

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