淺談開展網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)抗沖擊研究的必要性

林莉 朱昱 劉曉東 王圣寶

911事件的嚴重后果，讓學者們更加重視沖擊對于結(jié)構(gòu)的影響（圖1）。沖擊荷載是外荷載隨時間迅速變化的荷載，是一種短時作用的偶然荷載，能使被沖擊體應(yīng)力、位移、速度或者加速度發(fā)生瞬態(tài)變化。而沖擊荷載雖然是偶然荷載，但由于戰(zhàn)爭及恐怖襲擊中火炮、各類穿甲彈、導彈等武器襲擊建筑物，飛機發(fā)生故障時高速墜落，施工中的失誤造成高空墜物，風致飛射物等原因，近年來引起建筑物破壞的事件不斷增加。

沖擊作用于建筑物不能簡單的把它看作自然、軍事現(xiàn)象，它非常容易引申為社會災(zāi)難。近年來，國際上發(fā)生多次大型建筑物在沖擊荷載作用下倒塌破壞的慘劇，給生命財產(chǎn)造成了巨大的損失，眾所周知的“9. 11”事件，恐怖分子架機分別以800km/h及1000km/h的速度撞擊美國標志性建筑物世貿(mào)中心的南北塔樓，造成近三千人罹難和巨額財產(chǎn)的損失， 是人類進入21世紀以來影響最大的災(zāi)難性事件，也是對沖擊作用下建筑物響應(yīng)與失效模式研究的一次重大挑戰(zhàn)。使此類研究更具有現(xiàn)實性、艱巨性和緊要性。

我國有不少具有重要政治與經(jīng)濟意義的標志性建筑和重大工程，一旦發(fā)生類似“9·11”事件，將給國民經(jīng)濟造成巨大損失，這些建筑物的失效模式及破壞機理，以及提出結(jié)構(gòu)倒塌條件及預(yù)防措施的研究，是公眾及工程界非常關(guān)心、迫切需要解決的問題，為此，國內(nèi)外有很多專家學者做了一些研究。就導致破壞倒塌的結(jié)構(gòu)形式而言“ 9. 11”事件的被撞擊體是超高層的筒中筒鋼結(jié)構(gòu)物。我國有不少具有重要政治與經(jīng)濟意義的標志性建筑，有一系列諸如核電站、巨型高壩、超高層建筑、海洋平臺、大型橋梁等對國民經(jīng)濟具有舉足輕重意義的重大工程，其中大部分是鋼混結(jié)構(gòu)（構(gòu)筑） 物。這些標志性建筑物和重大工程是恐怖分子可能攻擊破壞的主要目標，因此，一旦發(fā)生類似“9.11”事件或受到偶然性外來飛射體撞擊，如何評價這些鋼混結(jié)構(gòu)物的破壞效應(yīng)，是公眾及工程界非常關(guān)心、迫切需要研究解決的問題。外來飛射體與重大工程結(jié)構(gòu)物撞擊類研究所包括的內(nèi)容復(fù)雜，涉及的科學范圍廣泛。其中，撞擊體可包括各類飛機、導彈、颶風卷起的飛射體，甚至包括宇宙垃圾“， 天外來客”等；被撞擊體可包括鋼結(jié)構(gòu)物、鋼混結(jié)構(gòu)物、空曠結(jié)構(gòu)物或核電站安全殼、易燃易爆的石化設(shè)備等；有恐怖分子以破壞為目的的主動撞擊造成的破壞，從而導致人員傷亡和經(jīng)濟損失，也有偶然災(zāi)難事故帶來的非主動撞擊的破壞效應(yīng)問題；碰撞后可能造成局部破壞的直接效應(yīng)，繼而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)的沖擊振動、火災(zāi)、爆炸，直至建筑物倒塌等多種形式的破壞效應(yīng)；在這些破壞效應(yīng)中，既有撞擊、振動、火災(zāi)、爆炸等荷載產(chǎn)生的應(yīng)力波作用型的破壞，也有包括剪切、大變形撓曲、構(gòu)件的直接破損、接觸面的滑移、分離或提離等結(jié)構(gòu)型的破壞，其中涉及了多種幾何、材料和接觸類非線性問題。結(jié)構(gòu)破壞機理復(fù)雜，模型化難度大，缺少可供分析使用的有效的數(shù)學模型，這些都給這類分析帶來很大困難。阿根廷的B. M. Luccioni等分析了一鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在爆沖擊荷載作用下倒塌的全過程；新加坡的J. Y.Richard Liew研究了鋼框架組合結(jié)構(gòu)在沖擊爆炸和火災(zāi)共同作用下的響應(yīng)； 美國的A. Saleha 和H .Adelib對自適應(yīng)智能結(jié)構(gòu)在爆炸沖擊荷載作用下的自我控制性能進行了研究；美國加州大學伯克利分校的Albolhassan Astaneh - Asl試驗研究了鋼框架組合結(jié)構(gòu)在單個關(guān)鍵構(gòu)件沖擊破壞后的響應(yīng)，并針對此種情況提出了防止結(jié)構(gòu)倒塌的措施。

網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)造型美觀，受力合理，用料經(jīng)濟，能跨越較大空間，是具有廣闊發(fā)展前景的空間結(jié)構(gòu)形式。隨著我國建設(shè)事業(yè)的迅猛發(fā)展，近十年來網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用日益增多，而且結(jié)構(gòu)形式逐漸多樣化，跨度也越來越大，發(fā)展速度驚人，出現(xiàn)了很多高水平的作品（圖2）。大跨空間結(jié)構(gòu)在工程上具有廣泛的應(yīng)用，而且多數(shù)為人員密集的重要場所，如體育場館、候機廳、會展中心、展覽館、博物館、飛機庫等，此類建筑如若遭遇恐怖襲擊，引起的直接間接損失將十分嚴重。因此，對于沖擊作用下網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的響應(yīng)的研究具有重要意義。

本文資助課題：黑龍江省教育廳科學技術(shù)研究項目，課題編號：12531135。

（作者單位：哈爾濱理工大學）