內爆炸下圍護結構與連接構件的剛度對球面網殼泄爆的影響

孫少峰

摘 要：為了研究內爆炸荷載作用下圍護結構與連接構件的剛度對大跨度球面網殼結構泄爆的影響，應用ANSYS/LS-DYNA軟件，建立內爆炸下大跨度球面網殼結構數值模擬計算模型。通過改變球面網殼圍護結構和連接構件的剛度，研究球面網殼主體結構在內爆炸下的破壞模式。結果表明：大跨度球面網殼結構在受到內爆炸荷載沖擊后圍護結構和連接結構件的剛度對主體結構泄爆效果有較大的影響。影響結果具體如下：當圍護結構板厚BH=0.001m時，連接構件剛度越大，圍護結構和連接構件所組成的結構體系使主體結構在受到爆炸荷載沖擊時具有比較好泄爆效果；當圍護結構板厚BH=0.002m和圍護結構板厚BH=0.003m時，連接構件剛度越小，圍護結構和連接構件所組成的結構體系使主體結構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殼結構而言，當圍護結構使用板厚BH=0.002m時的結構體系的在受到爆炸荷載沖擊時的泄爆性能比圍護結構使用板厚BH=0.003m時好。

關鍵詞：抗爆，圍護結構剛度，連接構件剛度，泄爆

1.引言

球面網殼外形優美、施工簡單，是大跨度空間結構常見的形式之一，尤其在大型公共建筑中被廣泛使用，已經成為現代化城市的重要標志[1]。這類建筑人員活動頻繁密集，經常成為恐怖者襲擊的目標，并造成重大的人員傷亡和財產損失，影響社會的長治久安。因此，對球面網殼結構在內爆炸下的泄爆研究已經成為人們關注的重要話題[2]。目前，大跨度空間結構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模內爆炸所產生的沖擊波的影響，發現泄爆口不影響如射沖擊波的超壓只，只影響內爆炸產生的準靜態壓力持續時間；E.Vyzmina和S.Jallais等人[6]指出工業和建筑業中發生內爆炸時，采用合理的泄爆方式能有效減少沖擊波對內部人員和設備的傷害；Crawford John E[7]提出了冷彎薄壁鋼構件結構的抗暴設計建議，并針對此類房屋進行了抗暴分析；A.Saleha等[8]分別考慮了建筑內部和外部的爆炸，通過改變爆炸點位置，討論建筑結構形式對抗暴的影響，結果表明：小表面積率及形狀規則的結構對抗暴更加有利；翟希梅， 王永輝等[9]對結構對稱性應用等方面進行了探索，研究了屋面板開洞率、開洞數量及洞口分布、洞口位置對結構響應的影響；林學鵬， 董啟明等[10]通過改變結構尺寸和TNT當量，分析結構在不同情況下的爆炸動力響應；高軒能等[11-12]對空間鋼柱殼結構在內爆炸荷載作用下動力效應、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構表面上的具體分布。屋面圍護結構和主體結構通過連接構件連接在一起，是主體結構在受到爆炸荷載沖擊后沖擊波主要作用的部位，所以屋面圍護結構與其連接構件剛度的強弱必然會影響結構的泄爆性能[13]。國內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殼結構的泄爆性能。目的是為了尋找出最合理的結構形式，使網殼結構的泄爆模型更加優化。圍護結構剛度的大小受其厚度的影響[14]，連接構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構厚度和連接構件的直徑，從節點位移、應力、及能量的角度出發，來研究爆炸荷載下圍護結構的剛度與連接構件的剛度對網殼結構泄爆的影響。

2.數值模擬

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

3.模擬結果

3.1圍護結構剛度和連接構件剛度選擇

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

3.2圍護結構剛度和連接構件剛度對泄爆的影響

1）當圍護板厚BH=0.001m時，結構的失效應變響應值為；當連接構件直徑D=0.025 m時，結構內部的內能為1.1035×1010J，柱頂位移為6.4843×10-6m，桿件應力為360.2×108 pa；當連接構件直徑D=0.030 m時，結構內部的內能為1.1032×1010J，柱頂位移為6.3894×10-6m，桿件應力為363.9×108 pa；當連接構件直徑D=0.035m時，結構內部的內能為1.1027×1010J，柱頂位移為6.3278×10-6m，桿件應力為363.2×108 pa；當連接構件直徑D=0.040m時，結構內部的內能為1.1018×1010J，柱頂位移為6.2398×10-6m，桿件應力為364.7×108 pa；當連接構件直徑D=0.045m時，結構內部的內能為1.1018×1010J，柱頂位移為6.1650×10-6m，桿件應力為365.7×108 pa；連接構件直徑D=0.050m時，結構內部的內能為1.0972×1010J，柱頂位移為6.1075×10-6m，桿件應力為355.4×108 pa；具體結果如下表4所示，表中的數值為從模擬曲線中提取的最大值

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

2）當圍護板厚BH=0.002m時，結構的失效應變響應值為；當連接構件直徑D=0.025 m時，結構內部的內能為1.1051×1010J，柱頂位移為7.4722×10-6m，桿件應力為358.8×108 pa；當連接構件直徑D=0.030 m時，結構內部的內能為1.1102×1010J，柱頂位移為7.6466×10-6m，桿件應力為378.9×108 pa；當連接構件直徑D=0.035m時，結構內部的內能為1.1141×1010J，柱頂位移為8.0066×10-6m，桿件應力為369.0×108 pa；當連接構件直徑D=0.040m時，結構內部的內能為1.1142×1010J，柱頂位移為8.0071×10-6m，桿件應力為369.8×108 pa；當連接構件直徑D=0.045m時，結構內部的內能為1.1142×1010J，柱頂位移為8.0107×10-6m，桿件應力為373.4×108 pa；連接構件直徑D=0.050m時，結構內部的內能為1.1136×1010J，柱頂位移為7.9777×10-6m，桿件應力為374.7×108 pa；具體結果如下表5所示，表中的數值為從模擬曲線中提取的最大值。

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

3）當圍護板厚BH=0.003m時，結構的失效應變響應值為；當連接構件直徑D=0.025 m時，結構內部的內能為1.1097×1010J，柱頂位移為7.9865×10-6m，桿件應力為338.3×108 pa；當連接構件直徑D=0.030 m時，結構內部的內能為1.1119×1010J，柱頂位移為7.9045×10-6m，桿件應力為362.1×108 pa；當連接構件直徑D=0.035m時，結構內部的內能為1.1156×1010J，柱頂位移為8.2040×10-6m，桿件應力為360.6×108 pa；當連接構件直徑D=0.040m時，結構內部的內能為1.1168×1010J，柱頂位移為8.2749×10-6m，桿件應力為364.9×108 pa；當連接構件直徑D=0.045m時，結構內部的內能為1.1169×1010J，柱頂位移為8.2548×10-6m，桿件應力為367.9×108 pa；連接構件直徑D=0.050m時，結構內部的內能為1.1170×1010J，柱頂位移為8.2542×10-6m，桿件應力為370.9×108 pa；具體結果如下表5所示，表中的數值為從模擬曲線中提取的最大值。

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

4 結論

應用ANSYS/LS-DYNA程序，對大跨度空間球殼結構在內爆炸作用下的數值進行模擬，通過改變圍護結構和連接結構的剛度，比較網殼結構的失效應變響應情況，得出如下結論；圍護結構的剛度和連接結構件的剛度對大跨度空間網殼結構的泄爆能力影響很大；當圍護結構板厚BH=0.001m時，連接構件剛度越大，圍護結構和連接構件所組成的結構體系使主體結構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構和剛度較大的連接結構件所組成的結構體系對主體結構的泄爆較好；當圍護結構板厚BH=0.002m和圍護結構板厚BH=0.003m時，連接構件剛度越小，圍護結構和連接構件所組成的結構體系使主體結構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構和剛度較小的連接結構件所組成的結構體系對主體結構的泄爆也較好；對于大跨度空間球面網殼結構而言，當圍護結構使用板厚BH=0.002m時的結構體系的在受到爆炸荷載沖擊時的泄爆性能比圍護結構使用板厚BH=0.003m時好。

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