爆炸荷載作用下空間格構式拱結構的數值模擬

張 達

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

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爆炸荷載作用下空間格構式拱結構的數值模擬

張 達

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

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

格構式拱結構，爆炸荷載，數值模擬，破壞模式

0 引言

從20世紀90年代以來，恐怖襲擊在全球范圍內迅速蔓延，給全世界的經濟環境和生命財產造成了巨大的破壞和不可估量的損失。大跨度空間結構在體育場館、會展中心、影劇院、大型商場等人員密集場所中得到了廣泛的應用。一旦發生爆炸，將造成難以想象的損失。目前，國內外專家學者開展了一些抗爆領域的研究[1-5]，但是在大跨空間結構相關領域的研究還較少，因此研究其在爆炸荷載下的破壞模式具有重要的意義。

本文采用顯示動力有限元分析軟件LS-DYNA，研究空間格構式拱結構在爆炸荷載作用下的破壞模式。

1 有限元數值模型建立

以一個40 m 跨度、矢跨比為1/5的空間格構式拱結構模型為研究對象(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。拱結構支座為三向不動鉸支座?？紤]室內爆炸的實際情況，將地面和墻體設置成剛體，炸藥距離地面取1.2 m，墻體高8 m。建?？紤]模型對稱情況，為了減少計算量，取1/2模型?？諝庥虺叽鐬?3 m×21 m×21 m，除了對稱面和地面，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狀態方程EOS_LINEAR_POLYNOMIAL[6]。TNT炸藥采用MAT_HIGH_EXPLOSION_BURN模擬描述應力和應變的關系，采用JWL狀態方程[6]來描述壓力和體積變形關系。鋼管和鋼板采用MAT_PLASTIC_KINEMATIC塑性隨動強化模型和Mises屈服準則，Cowper-Symonds的模型充分考慮了鋼材的彈塑性性能。選用鋼材的屈服強度為235 MPa，彈性模量206 GPa，泊松比為0.3，鋼材的失效應變為0.2。即當鋼材的有效塑性應變達到0.2時，失效的單元在后續計算中將被刪除[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、地面采用實體單元Solid164。炸藥和空氣通過多物質流固耦合算法發生作用，進行爆炸的模擬。為了滿足計算精度和計算時間的需要，對于大當量的炸藥采用大的網格尺寸，對于小當量炸藥采用小的網格尺寸，空氣的網格劃分根據炸藥網格尺寸調整，保證炸藥和空氣網格尺寸相當[8]。

2 爆炸荷載作用下空間格構式拱結構的破壞模式

2.1 工況介紹

數值分析時，選用8種不同工況：TNT炸藥的質量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，整個結構中心位置，距離結構正上方R=15 m，距離地面1.2 m。根據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。算例的計算時間統一取200 ms。

2.2 破壞模式

選取四個具有不同破壞程度的典型工況介紹：

當比例距離Z=12.75 m/kg1/3時，由于炸藥到結構距離過遠，炸藥質量過小，所以結構桿件、檁托、檁條、鉚釘、屋面板均在彈性范圍內，屋面板發生輕微振動，沒有發生塑性破壞。

當比例距離Z=2.55 m/kg1/3時，爆炸沖擊波增強，結構受到破壞。屋面板被掀開，屋面板與鉚釘連接處被破壞。屋面板發生孔洞，但整體未斷開。檁條被鉚釘帶動拉斷，檁托發生塑性變形，應變超過0.2，發生斷裂破壞。結構最外側兩榀拱桁架失穩，向內傾斜，拱1/4處附近位移較大，見圖2。

當比例距離Z=1.27 m/kg1/3時，由于炸藥質量更大，爆炸沖擊波較強，結構受到破壞嚴重。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，應變超過了0.2，發生斷裂破壞。檁托發生塑性變形，外側的桁架結構失穩，塑性變形程度加大，最外側兩榀拱桁架1/4處位移增加，見圖3。

當比例距離Z=0.64 m/kg1/3時，炸藥質量最大，爆炸沖擊波最大，屋面板迅速到達塑性階段，鉚釘、檁條發生了更大塑性變形。由于屋面板破壞更嚴重，吸收了一部分沖擊波，起到泄爆的作用，外側的桁架結構的塑性變形程度降低，最外側兩榀拱桁架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，結構發生破壞程度增加，當比例距離小到一定程度，屋面板破壞嚴重，導致一部分的爆炸沖擊波泄露，減小了爆炸沖擊波對結構構件的壓力。使拱結構發生塑性變形程度減輕。

3 結語

利用動力有限元軟件ANSYS/LS-DYNA對某空間格構式拱結構進行了數值分析，根據空間拱結構的破壞和變形得出以下結論：

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

2)通過數值模擬不同的工況，發現結構的破壞和變形與比例距離有關。比例距離越大，結構破壞越小。屋面板、鉚釘、檁條最易發生斷裂破壞，檁托、桁架結構發生一定程度的塑性破壞，其中拱桁架結構最不容易破壞。

[1] 丁 陽，汪 明，李忠獻.爆炸荷載作用下鋼框架結構連續倒塌分析[J].建筑結構學報,2012(2):78-84.

[2] 師燕超.爆炸荷載作用下鋼筋混凝土結構的動態響應行為與損傷破壞機理[D].天津：天津大學,2009.

[3] 李忠獻，劉志俠，丁 陽.爆炸荷載作用下鋼結構的動力響應與破壞模式[J].建筑結構學報,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構的動態響應與破壞模式的數值分析[J].工程力學,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型單層球面網殼的數值模擬[J].哈爾濱工業大學學報,2011(4):12-16.

[8] 張秀華,張 達.基于Euler算法的TNT炸藥空中爆炸數值模擬研究[A].第23屆全國結構工程學術會議論文集[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(1990- )，男，在讀碩士

1009-6825(2017)04-0057-02

TU311.4

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