內(nèi)爆炸下圍護結(jié)構(gòu)與連接構(gòu)件的剛度對球面網(wǎng)殼泄爆的影響

孫少峰

摘 要：為了研究內(nèi)爆炸荷載作用下圍護結(jié)構(gòu)與連接構(gòu)件的剛度對大跨度球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)泄爆的影響，應(yīng)用ANSYS/LS-DYNA軟件，建立內(nèi)爆炸下大跨度球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬計算模型。通過改變球面網(wǎng)殼圍護結(jié)構(gòu)和連接構(gòu)件的剛度，研究球面網(wǎng)殼主體結(jié)構(gòu)在內(nèi)爆炸下的破壞模式。結(jié)果表明：大跨度球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在受到內(nèi)爆炸荷載沖擊后圍護結(jié)構(gòu)和連接結(jié)構(gòu)件的剛度對主體結(jié)構(gòu)泄爆效果有較大的影響。影響結(jié)果具體如下：當(dāng)圍護結(jié)構(gòu)板厚BH=0.001m時，連接構(gòu)件剛度越大，圍護結(jié)構(gòu)和連接構(gòu)件所組成的結(jié)構(gòu)體系使主體結(jié)構(gòu)在受到爆炸荷載沖擊時具有比較好泄爆效果；當(dāng)圍護結(jié)構(gòu)板厚BH=0.002m和圍護結(jié)構(gòu)板厚BH=0.003m時，連接構(gòu)件剛度越小，圍護結(jié)構(gòu)和連接構(gòu)件所組成的結(jié)構(gòu)體系使主體結(jié)構(gòu)在受到爆炸荷載沖擊時具有比較好泄爆效果；對于大跨度空間球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)而言，當(dāng)圍護結(jié)構(gòu)使用板厚BH=0.002m時的結(jié)構(gòu)體系的在受到爆炸荷載沖擊時的泄爆性能比圍護結(jié)構(gòu)使用板厚BH=0.003m時好。

關(guān)鍵詞：抗爆，圍護結(jié)構(gòu)剛度，連接構(gòu)件剛度，泄爆

1.引言

球面網(wǎng)殼外形優(yōu)美、施工簡單，是大跨度空間結(jié)構(gòu)常見的形式之一，尤其在大型公共建筑中被廣泛使用，已經(jīng)成為現(xiàn)代化城市的重要標(biāo)志[1]。這類建筑人員活動頻繁密集，經(jīng)常成為恐怖者襲擊的目標(biāo)，并造成重大的人員傷亡和財產(chǎn)損失，影響社會的長治久安。因此，對球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在內(nèi)爆炸下的泄爆研究已經(jīng)成為人們關(guān)注的重要話題[2]。目前，大跨度空間結(jié)構(gòu)防爆抗爆研究也逐步受到重視[3-4]。例如：P.C.Chan等人[5]通過分析泄爆口對普通住宅中小規(guī)模內(nèi)爆炸所產(chǎn)生的沖擊波的影響，發(fā)現(xiàn)泄爆口不影響如射沖擊波的超壓只，只影響內(nèi)爆炸產(chǎn)生的準(zhǔn)靜態(tài)壓力持續(xù)時間；E.Vyzmina和S.Jallais等人[6]指出工業(yè)和建筑業(yè)中發(fā)生內(nèi)爆炸時，采用合理的泄爆方式能有效減少沖擊波對內(nèi)部人員和設(shè)備的傷害；Crawford John E[7]提出了冷彎薄壁鋼構(gòu)件結(jié)構(gòu)的抗暴設(shè)計建議，并針對此類房屋進行了抗暴分析；A.Saleha等[8]分別考慮了建筑內(nèi)部和外部的爆炸，通過改變爆炸點位置，討論建筑結(jié)構(gòu)形式對抗暴的影響，結(jié)果表明：小表面積率及形狀規(guī)則的結(jié)構(gòu)對抗暴更加有利；翟希梅， 王永輝等[9]對結(jié)構(gòu)對稱性應(yīng)用等方面進行了探索，研究了屋面板開洞率、開洞數(shù)量及洞口分布、洞口位置對結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響；林學(xué)鵬， 董啟明等[10]通過改變結(jié)構(gòu)尺寸和TNT當(dāng)量，分析結(jié)構(gòu)在不同情況下的爆炸動力響應(yīng)；高軒能等[11-12]對空間鋼柱殼結(jié)構(gòu)在內(nèi)爆炸荷載作用下動力效應(yīng)、沖擊波壓力場分布和泄爆措施等進行了研究，獲得沖擊波壓力場在大跨度空間結(jié)構(gòu)表面上的具體分布。屋面圍護結(jié)構(gòu)和主體結(jié)構(gòu)通過連接構(gòu)件連接在一起，是主體結(jié)構(gòu)在受到爆炸荷載沖擊后沖擊波主要作用的部位，所以屋面圍護結(jié)構(gòu)與其連接構(gòu)件剛度的強弱必然會影響結(jié)構(gòu)的泄爆性能[13]。國內(nèi)外對此并沒有做更深一步的研究，所以本文綜合考慮這兩項因素來研究球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的泄爆性能。目的是為了尋找出最合理的結(jié)構(gòu)形式，使網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的泄爆模型更加優(yōu)化。圍護結(jié)構(gòu)剛度的大小受其厚度的影響[14]，連接構(gòu)件的剛度的大小受其直徑的影響，所以本文通過改變圍護結(jié)構(gòu)厚度和連接構(gòu)件的直徑，從節(jié)點位移、應(yīng)力、及能量的角度出發(fā)，來研究爆炸荷載下圍護結(jié)構(gòu)的剛度與連接構(gòu)件的剛度對網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)泄爆的影響。

2.數(shù)值模擬

運用ANSYS/LS-DYNA軟件建立K6單層球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)模型，整個計算模型主要有空氣、炸藥、地面、網(wǎng)殼桿件以及圍護結(jié)組成。炸藥位于結(jié)構(gòu)中心，炸藥TNT當(dāng)量為250kg，距離地面1.2m處，整個結(jié)構(gòu)包裹在空氣中，空氣和炸藥采用顯示實體SOLID164單元，地面、屋面和圍護結(jié)構(gòu)采用SEHLL163單元，ALE空間尺寸為44m×44m×22m。

3.模擬結(jié)果

3.1圍護結(jié)構(gòu)剛度和連接構(gòu)件剛度選擇

在大跨度球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的爆炸荷載作用下，炸藥爆炸后會產(chǎn)生沖擊波，并且直接作用在圍護結(jié)構(gòu)與連接結(jié)構(gòu)件所組成的結(jié)構(gòu)體系上。圍護結(jié)構(gòu)和連接構(gòu)件剛度的強弱直接影響到大跨度球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)泄爆能力的大小，從而影響到結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)情況。圍護結(jié)構(gòu)和連接構(gòu)件的剛度的變化通過構(gòu)件尺寸大小來改變，連接構(gòu)件選用實心圓鋼管，用控制變量法選取三組數(shù)據(jù)進行模擬如下；當(dāng)圍護板厚BH=0.001m時，連接構(gòu)件直徑D選0.025m、0.030m、0.035m、0.040m、0.045m和0.050m；當(dāng)圍護板厚BH=0.002m時，連接構(gòu)件直徑D選0.025m、0.030m、0.035m、0.040m、0.045m和0.050m；當(dāng)圍護板厚BH=0.003m時，連接構(gòu)件直徑D選0.025m、0.030m、0.035m、0.040m、0.045m和0.050m。

3.2圍護結(jié)構(gòu)剛度和連接構(gòu)件剛度對泄爆的影響

1）當(dāng)圍護板厚BH=0.001m時，結(jié)構(gòu)的失效應(yīng)變響應(yīng)值為；當(dāng)連接構(gòu)件直徑D=0.025 m時，結(jié)構(gòu)內(nèi)部的內(nèi)能為1.1035×1010J，柱頂位移為6.4843×10-6m，桿件應(yīng)力為360.2×108 pa；當(dāng)連接構(gòu)件直徑D=0.030 m時，結(jié)構(gòu)內(nèi)部的內(nèi)能為1.1032×1010J，柱頂位移為6.3894×10-6m，桿件應(yīng)力為363.9×108 pa；當(dāng)連接構(gòu)件直徑D=0.035m時，結(jié)構(gòu)內(nèi)部的內(nèi)能為1.1027×1010J，柱頂位移為6.3278×10-6m，桿件應(yīng)力為363.2×108 pa；當(dāng)連接構(gòu)件直徑D=0.040m時，結(jié)構(gòu)內(nèi)部的內(nèi)能為1.1018×1010J，柱頂位移為6.2398×10-6m，桿件應(yīng)力為364.7×108 pa；當(dāng)連接構(gòu)件直徑D=0.045m時，結(jié)構(gòu)內(nèi)部的內(nèi)能為1.1018×1010J，柱頂位移為6.1650×10-6m，桿件應(yīng)力為365.7×108 pa；連接構(gòu)件直徑D=0.050m時，結(jié)構(gòu)內(nèi)部的內(nèi)能為1.0972×1010J，柱頂位移為6.1075×10-6m，桿件應(yīng)力為355.4×108 pa；具體結(jié)果如下表4所示，表中的數(shù)值為從模擬曲線中提取的最大值

當(dāng)圍護板厚BH=0.001m時，從表4可知，連接構(gòu)件直徑D=0.025m時主體結(jié)構(gòu)在爆炸荷載下受到的能量值最大，隨著連接構(gòu)件直徑的增加，主體結(jié)構(gòu)的能量慢慢變?。划?dāng)連接構(gòu)件直徑D=0.050m時，主體結(jié)構(gòu)的能量最小。說明當(dāng)連接構(gòu)件剛度比較小時，連接構(gòu)件和圍護結(jié)構(gòu)所連接面處柔性比較大。主體結(jié)構(gòu)受到爆炸沖擊后，圍護結(jié)構(gòu)開裂不充分，爆炸所產(chǎn)生的能量不能有效的向外發(fā)散，能量聚集在主體結(jié)構(gòu)中，對主體結(jié)構(gòu)不利；當(dāng)連接構(gòu)件剛度比較大時，連接構(gòu)件和圍護結(jié)構(gòu)所連接面處剛度比較均衡。主體結(jié)構(gòu)受到爆炸沖擊后，圍護結(jié)構(gòu)充分開裂，爆炸所產(chǎn)生能量可以迅速向外發(fā)散，此種情況可以比較好的保護主體結(jié)構(gòu)。且從表4可知當(dāng)連接構(gòu)件直徑依次變大時，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力也依次變大，但是當(dāng)連接構(gòu)件直徑D=0.050m時，主體結(jié)構(gòu)在受到爆炸荷載沖擊后所受應(yīng)力突然降低。說明當(dāng)連接構(gòu)件直徑大到一定值時，圍護結(jié)構(gòu)和連接構(gòu)件所組成結(jié)構(gòu)體系使主體結(jié)構(gòu)在爆炸荷載沖擊沖擊下，具有比較好的泄爆能力。綜上可知，在圍護板厚BH=0.001m的情況下，連接構(gòu)件剛度較大時，主體結(jié)構(gòu)失效應(yīng)變響應(yīng)比較小，主體結(jié)構(gòu)在受到爆炸荷載沖擊后的泄爆能力較強。主要是因為當(dāng)圍護板厚BH=0.001m時，剛度比較小、柔性大，與剛度較大的連接構(gòu)件相連時，圍護結(jié)構(gòu)剛度和連接構(gòu)件剛度都處在了最有利于主體結(jié)構(gòu)泄爆的剛度值，這時二者相互連接所組成的結(jié)構(gòu)體系的剛度相互均衡，使主體結(jié)構(gòu)達到最佳的泄爆效果。

2）當(dāng)圍護板厚BH=0.002m時，結(jié)構(gòu)的失效應(yīng)變響應(yīng)值為；當(dāng)連接構(gòu)件直徑D=0.025 m時，結(jié)構(gòu)內(nèi)部的內(nèi)能為1.1051×1010J，柱頂位移為7.4722×10-6m，桿件應(yīng)力為358.8×108 pa；當(dāng)連接構(gòu)件直徑D=0.030 m時，結(jié)構(gòu)內(nèi)部的內(nèi)能為1.1102×1010J，柱頂位移為7.6466×10-6m，桿件應(yīng)力為378.9×108 pa；當(dāng)連接構(gòu)件直徑D=0.035m時，結(jié)構(gòu)內(nèi)部的內(nèi)能為1.1141×1010J，柱頂位移為8.0066×10-6m，桿件應(yīng)力為369.0×108 pa；當(dāng)連接構(gòu)件直徑D=0.040m時，結(jié)構(gòu)內(nèi)部的內(nèi)能為1.1142×1010J，柱頂位移為8.0071×10-6m，桿件應(yīng)力為369.8×108 pa；當(dāng)連接構(gòu)件直徑D=0.045m時，結(jié)構(gòu)內(nèi)部的內(nèi)能為1.1142×1010J，柱頂位移為8.0107×10-6m，桿件應(yīng)力為373.4×108 pa；連接構(gòu)件直徑D=0.050m時，結(jié)構(gòu)內(nèi)部的內(nèi)能為1.1136×1010J，柱頂位移為7.9777×10-6m，桿件應(yīng)力為374.7×108 pa；具體結(jié)果如下表5所示，表中的數(shù)值為從模擬曲線中提取的最大值。

當(dāng)圍護板厚BH=0.002m時，從表5可知，隨著直徑的增加，主體結(jié)構(gòu)能量慢慢變大，當(dāng)連接構(gòu)件直徑D=0.040m左右時，主體結(jié)構(gòu)的能量最大。當(dāng)連接構(gòu)件直徑D再增大時，主體結(jié)構(gòu)能量又變小，但是連接構(gòu)件直徑D=0.025m時，主體結(jié)構(gòu)在受到爆炸荷載沖擊時的能量始終最小?？梢姰?dāng)連接構(gòu)件直徑D=0.040m左右時，圍護結(jié)構(gòu)和連接構(gòu)件所組成的結(jié)構(gòu)體系對主體結(jié)構(gòu)泄爆不利；當(dāng)連接構(gòu)件直徑D=0.025m時，圍護結(jié)構(gòu)和連接構(gòu)件所組成的結(jié)構(gòu)體系對主體結(jié)構(gòu)泄爆有利。說明連結(jié)構(gòu)件剛度比較小時，圍護結(jié)構(gòu)和連接構(gòu)件所組成的結(jié)構(gòu)體系可以使主體結(jié)構(gòu)在受到爆炸荷載沖擊時達到比較好的泄爆效果?？傮w來看當(dāng)連接構(gòu)件直徑D=0.045m時，主體結(jié)構(gòu)受爆炸荷載沖擊后位移最大，當(dāng)連接構(gòu)件直徑大于或者小于0.045m時，主體結(jié)構(gòu)受爆炸荷載沖擊后位移都比較小。可以看出當(dāng)連接構(gòu)件直徑D=0.025m時，應(yīng)力為358.8×108 pa，明顯小于其他數(shù)值。說明連接構(gòu)件剛度比較小時，圍護結(jié)構(gòu)和連接構(gòu)件所組成的結(jié)構(gòu)體系使主體結(jié)構(gòu)在受到爆炸荷載作用時沖擊所受的應(yīng)力比較小、泄爆比較充分。綜上可知，在圍護板厚BH=0.002m的情況下，當(dāng)連接構(gòu)件直徑D=0.040m左右時，主體結(jié)構(gòu)失效應(yīng)變響應(yīng)比較大，結(jié)構(gòu)的泄爆能力較弱；當(dāng)連接構(gòu)件直徑D=0.025m時，主體結(jié)構(gòu)失效應(yīng)變響應(yīng)比較小，結(jié)構(gòu)的泄爆能力較強。主要是因為圍護板厚BH=0.002m時，圍護結(jié)構(gòu)剛度已經(jīng)比較大，當(dāng)連接構(gòu)件剛度比較小時，二者剛度才能相互均衡，使圍護結(jié)構(gòu)和連接構(gòu)件組成的結(jié)構(gòu)體系在受到爆炸荷載沖擊時最容易破壞，主體結(jié)構(gòu)達到最好的泄爆效果。

3）當(dāng)圍護板厚BH=0.003m時，結(jié)構(gòu)的失效應(yīng)變響應(yīng)值為；當(dāng)連接構(gòu)件直徑D=0.025 m時，結(jié)構(gòu)內(nèi)部的內(nèi)能為1.1097×1010J，柱頂位移為7.9865×10-6m，桿件應(yīng)力為338.3×108 pa；當(dāng)連接構(gòu)件直徑D=0.030 m時，結(jié)構(gòu)內(nèi)部的內(nèi)能為1.1119×1010J，柱頂位移為7.9045×10-6m，桿件應(yīng)力為362.1×108 pa；當(dāng)連接構(gòu)件直徑D=0.035m時，結(jié)構(gòu)內(nèi)部的內(nèi)能為1.1156×1010J，柱頂位移為8.2040×10-6m，桿件應(yīng)力為360.6×108 pa；當(dāng)連接構(gòu)件直徑D=0.040m時，結(jié)構(gòu)內(nèi)部的內(nèi)能為1.1168×1010J，柱頂位移為8.2749×10-6m，桿件應(yīng)力為364.9×108 pa；當(dāng)連接構(gòu)件直徑D=0.045m時，結(jié)構(gòu)內(nèi)部的內(nèi)能為1.1169×1010J，柱頂位移為8.2548×10-6m，桿件應(yīng)力為367.9×108 pa；連接構(gòu)件直徑D=0.050m時，結(jié)構(gòu)內(nèi)部的內(nèi)能為1.1170×1010J，柱頂位移為8.2542×10-6m，桿件應(yīng)力為370.9×108 pa；具體結(jié)果如下表5所示，表中的數(shù)值為從模擬曲線中提取的最大值。

當(dāng)圍護板厚BH=0.003m時，從表6可知，當(dāng)連接構(gòu)件直徑D=0.050m時曲線處于六條曲線的最高位置，主體結(jié)構(gòu)能量最大，隨著直徑的增加，主體結(jié)構(gòu)在受到爆炸荷載沖擊時能量慢慢變大；從表6可知，當(dāng)連接構(gòu)件直徑D=0.025m時，主體結(jié)構(gòu)受到爆炸荷載沖擊后柱定頂位移為7.9865×10-6m主體結(jié)構(gòu)；當(dāng)連接構(gòu)件直徑D=0.050m時，主體結(jié)構(gòu)受到爆炸荷載沖擊后柱定頂位移為8.2542×10-6m?？梢姰?dāng)連接構(gòu)件直徑D=0.025m時，主體結(jié)構(gòu)柱頂受到爆炸荷載沖擊后明顯最小。當(dāng)連接構(gòu)件直徑D=0.025m時，主體結(jié)構(gòu)在爆炸荷載沖擊下應(yīng)力比較小，隨著連接構(gòu)件直徑的增加，主體結(jié)構(gòu)在爆炸荷載沖擊下應(yīng)力增大。綜上可知，在圍護板厚BH=0.003m的情況下，連接構(gòu)件剛度較小時，主體結(jié)構(gòu)失效應(yīng)變響應(yīng)比較小，結(jié)構(gòu)的泄爆能力較強。

4 結(jié)論

應(yīng)用ANSYS/LS-DYNA程序，對大跨度空間球殼結(jié)構(gòu)在內(nèi)爆炸作用下的數(shù)值進行模擬，通過改變圍護結(jié)構(gòu)和連接結(jié)構(gòu)的剛度，比較網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的失效應(yīng)變響應(yīng)情況，得出如下結(jié)論；圍護結(jié)構(gòu)的剛度和連接結(jié)構(gòu)件的剛度對大跨度空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的泄爆能力影響很大；當(dāng)圍護結(jié)構(gòu)板厚BH=0.001m時，連接構(gòu)件剛度越大，圍護結(jié)構(gòu)和連接構(gòu)件所組成的結(jié)構(gòu)體系使主體結(jié)構(gòu)在受到爆炸荷載沖擊時具有比較好泄爆效果，說明此時剛度較小的圍護結(jié)構(gòu)和剛度較大的連接結(jié)構(gòu)件所組成的結(jié)構(gòu)體系對主體結(jié)構(gòu)的泄爆較好；當(dāng)圍護結(jié)構(gòu)板厚BH=0.002m和圍護結(jié)構(gòu)板厚BH=0.003m時，連接構(gòu)件剛度越小，圍護結(jié)構(gòu)和連接構(gòu)件所組成的結(jié)構(gòu)體系使主體結(jié)構(gòu)在受到爆炸荷載沖擊時具有比較好泄爆效果，說明此時剛度較大的圍護結(jié)構(gòu)和剛度較小的連接結(jié)構(gòu)件所組成的結(jié)構(gòu)體系對主體結(jié)構(gòu)的泄爆也較好；對于大跨度空間球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)而言，當(dāng)圍護結(jié)構(gòu)使用板厚BH=0.002m時的結(jié)構(gòu)體系的在受到爆炸荷載沖擊時的泄爆性能比圍護結(jié)構(gòu)使用板厚BH=0.003m時好。

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基金項目：本文為華僑大學(xué)研究生科研創(chuàng)新能力培育計劃資助項目（編號：1611304031）