爆炸荷載作用下空間格構(gòu)式拱結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬

張 達(dá)

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

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爆炸荷載作用下空間格構(gòu)式拱結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬

張 達(dá)

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

為了研究空間格構(gòu)式拱結(jié)構(gòu)在爆炸荷載下的破壞模式，利用動(dòng)力有限元軟件ANSYS/LS-DYNA，建立了空間格構(gòu)式拱的有限元模型，分析了不同炸藥比例距離下的變形情況，結(jié)果表明：在不同的工況下，破壞模式與炸藥比例距離有關(guān)，比例距離越大，結(jié)構(gòu)破壞程度越小。

格構(gòu)式拱結(jié)構(gòu)，爆炸荷載，數(shù)值模擬，破壞模式

0 引言

從20世紀(jì)90年代以來，恐怖襲擊在全球范圍內(nèi)迅速蔓延，給全世界的經(jīng)濟(jì)環(huán)境和生命財(cái)產(chǎn)造成了巨大的破壞和不可估量的損失。大跨度空間結(jié)構(gòu)在體育場館、會(huì)展中心、影劇院、大型商場等人員密集場所中得到了廣泛的應(yīng)用。一旦發(fā)生爆炸，將造成難以想象的損失。目前，國內(nèi)外專家學(xué)者開展了一些抗爆領(lǐng)域的研究[1-5]，但是在大跨空間結(jié)構(gòu)相關(guān)領(lǐng)域的研究還較少，因此研究其在爆炸荷載下的破壞模式具有重要的意義。

本文采用顯示動(dòng)力有限元分析軟件LS-DYNA，研究空間格構(gòu)式拱結(jié)構(gòu)在爆炸荷載作用下的破壞模式。

1 有限元數(shù)值模型建立

以一個(gè)40 m 跨度、矢跨比為1/5的空間格構(gòu)式拱結(jié)構(gòu)模型為研究對(duì)象(見圖1)。共十榀桁架，桁架間距為6 m。弦桿、腹桿截面尺寸均為φ127×6 mm圓鋼管，檁托的尺寸為φ83×7 mm圓鋼管。檁條采用空心矩形鋼管，每根檁條上布置6根12 mm鉚釘，屋面板為2 mm厚度鋼板。拱結(jié)構(gòu)支座為三向不動(dòng)鉸支座?？紤]室內(nèi)爆炸的實(shí)際情況，將地面和墻體設(shè)置成剛體，炸藥距離地面取1.2 m，墻體高8 m。建?？紤]模型對(duì)稱情況，為了減少計(jì)算量，取1/2模型?？諝庥虺叽鐬?3 m×21 m×21 m，除了對(duì)稱面和地面，其他邊界面均采用無反射邊界條件。

空氣采用MAT_NULL材料模型和線性多項(xiàng)狀態(tài)方程EOS_LINEAR_POLYNOMIAL[6]。TNT炸藥采用MAT_HIGH_EXPLOSION_BURN模擬描述應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系，采用JWL狀態(tài)方程[6]來描述壓力和體積變形關(guān)系。鋼管和鋼板采用MAT_PLASTIC_KINEMATIC塑性隨動(dòng)強(qiáng)化模型和Mises屈服準(zhǔn)則，Cowper-Symonds的模型充分考慮了鋼材的彈塑性性能。選用鋼材的屈服強(qiáng)度為235 MPa，彈性模量206 GPa，泊松比為0.3，鋼材的失效應(yīng)變?yōu)?.2。即當(dāng)鋼材的有效塑性應(yīng)變達(dá)到0.2時(shí)，失效的單元在后續(xù)計(jì)算中將被刪除[7]。

在LS-DYNA中，桁架桿件、檁托、檁條、鉚釘均采用梁單元Beam161，屋面板和墻體采用殼單元Shell163，炸藥、空氣、地面采用實(shí)體單元Solid164。炸藥和空氣通過多物質(zhì)流固耦合算法發(fā)生作用，進(jìn)行爆炸的模擬。為了滿足計(jì)算精度和計(jì)算時(shí)間的需要，對(duì)于大當(dāng)量的炸藥采用大的網(wǎng)格尺寸，對(duì)于小當(dāng)量炸藥采用小的網(wǎng)格尺寸，空氣的網(wǎng)格劃分根據(jù)炸藥網(wǎng)格尺寸調(diào)整，保證炸藥和空氣網(wǎng)格尺寸相當(dāng)[8]。

2 爆炸荷載作用下空間格構(gòu)式拱結(jié)構(gòu)的破壞模式

2.1 工況介紹

數(shù)值分析時(shí)，選用8種不同工況：TNT炸藥的質(zhì)量W=1.63 kg，13.04 kg，25.47 kg，203.75 kg，834.56 kg，1 630 kg，5 501.25 kg，13 040 kg。炸藥布置在Y-O-Z平面，整個(gè)結(jié)構(gòu)中心位置，距離結(jié)構(gòu)正上方R=15 m，距離地面1.2 m。根據(jù)炸藥比例距離公式算出8種工況的炸藥比例距離分別為Z=12.75 m/kg1/3，Z=6.37 m/kg1/3，Z=5.10 m/kg1/3，Z=2.55 m/kg1/3，Z=1.59 m/kg1/3，Z=1.27 m/kg1/3，Z= 0.85 m/kg1/3，Z=0.64 m/kg1/3。算例的計(jì)算時(shí)間統(tǒng)一取200 ms。

2.2 破壞模式

選取四個(gè)具有不同破壞程度的典型工況介紹：

當(dāng)比例距離Z=12.75 m/kg1/3時(shí)，由于炸藥到結(jié)構(gòu)距離過遠(yuǎn)，炸藥質(zhì)量過小，所以結(jié)構(gòu)桿件、檁托、檁條、鉚釘、屋面板均在彈性范圍內(nèi)，屋面板發(fā)生輕微振動(dòng)，沒有發(fā)生塑性破壞。

當(dāng)比例距離Z=2.55 m/kg1/3時(shí)，爆炸沖擊波增強(qiáng)，結(jié)構(gòu)受到破壞。屋面板被掀開，屋面板與鉚釘連接處被破壞。屋面板發(fā)生孔洞，但整體未斷開。檁條被鉚釘帶動(dòng)拉斷，檁托發(fā)生塑性變形，應(yīng)變超過0.2，發(fā)生斷裂破壞。結(jié)構(gòu)最外側(cè)兩榀拱桁架失穩(wěn)，向內(nèi)傾斜，拱1/4處附近位移較大，見圖2。

當(dāng)比例距離Z=1.27 m/kg1/3時(shí)，由于炸藥質(zhì)量更大，爆炸沖擊波較強(qiáng)，結(jié)構(gòu)受到破壞嚴(yán)重。屋面板從中部被掀開，斷裂成為兩部分。檁條、鉚釘塑性變形較大，應(yīng)變超過了0.2，發(fā)生斷裂破壞。檁托發(fā)生塑性變形，外側(cè)的桁架結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，塑性變形程度加大，最外側(cè)兩榀拱桁架1/4處位移增加，見圖3。

當(dāng)比例距離Z=0.64 m/kg1/3時(shí)，炸藥質(zhì)量最大，爆炸沖擊波最大，屋面板迅速到達(dá)塑性階段，鉚釘、檁條發(fā)生了更大塑性變形。由于屋面板破壞更嚴(yán)重，吸收了一部分沖擊波，起到泄爆的作用，外側(cè)的桁架結(jié)構(gòu)的塑性變形程度降低，最外側(cè)兩榀拱桁架1/4處位移減小，見圖4。

由以上分析可知，開始階段，隨著比例距離減小，結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞程度增加，當(dāng)比例距離小到一定程度，屋面板破壞嚴(yán)重，導(dǎo)致一部分的爆炸沖擊波泄露，減小了爆炸沖擊波對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的壓力。使拱結(jié)構(gòu)發(fā)生塑性變形程度減輕。

3 結(jié)語

利用動(dòng)力有限元軟件ANSYS/LS-DYNA對(duì)某空間格構(gòu)式拱結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值分析，根據(jù)空間拱結(jié)構(gòu)的破壞和變形得出以下結(jié)論：

1)利用顯示動(dòng)力分析軟件LS-DYNA，能夠很好模擬空間格構(gòu)式拱結(jié)構(gòu)在爆炸荷載作用下的破壞模式。因此本文的數(shù)值模擬是合理的。

2)通過數(shù)值模擬不同的工況，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的破壞和變形與比例距離有關(guān)。比例距離越大，結(jié)構(gòu)破壞越小。屋面板、鉚釘、檁條最易發(fā)生斷裂破壞，檁托、桁架結(jié)構(gòu)發(fā)生一定程度的塑性破壞，其中拱桁架結(jié)構(gòu)最不容易破壞。

[1] 丁 陽，汪 明，李忠獻(xiàn).爆炸荷載作用下鋼框架結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌分析[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2012(2):78-84.

[2] 師燕超.爆炸荷載作用下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)行為與損傷破壞機(jī)理[D].天津：天津大學(xué),2009.

[3] 李忠獻(xiàn)，劉志俠，丁 陽.爆炸荷載作用下鋼結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)與破壞模式[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2008(4):106-111.

[4] 方 秦,陳 力,張亞棟,等.爆炸荷載作用下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)與破壞模式的數(shù)值分析[J].工程力學(xué),2007(S2):135-144，154.

[5] M.Zineddin，T. Krauthammer. Dynamic response and behavior of reinforced concrete slabs under impact loading[J]. International Journal of Impact Engineering,2007,34(9):1517-1534．

[6] LS-DYNA. Keyword user’s manual[M]．[S. l]:Livermore Software Technology Corporation,2003．

[7] 王永輝,翟希梅,支旭東,等.爆炸荷載下K8型單層球面網(wǎng)殼的數(shù)值模擬[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2011(4):12-16.

[8] 張秀華,張 達(dá).基于Euler算法的TNT炸藥空中爆炸數(shù)值模擬研究[A].第23屆全國結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C].2014.

Numerical simulation of space lattice arch structure subjected to blast load

Zhang Da

(CollegeofCivilEngineering,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China)

To know the failure modes of space lattice arch structure subjected to blast load， the dynamic finite element software ANSYS/LS-DYNA was used to establish the model of space lattice arch structure. Comparing the deformation under different explosive distance. The result indicated， the destruction of the space lattice arch structure decrease with the increase of proportion of distance.

lattice arch structure, blast load, numerical simulation, failure mode

2016-11-26

張 達(dá)(1990- )，男，在讀碩士

1009-6825(2017)04-0057-02

TU311.4

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