内爆炸下围护结构与连接构件的刚度对球面网壳泄爆的影响

孙少峰

摘 要：为了研究内爆炸荷载作用下围护结构与连接构件的刚度对大跨度球面网壳结构泄爆的影响，应用ANSYS/LS-DYNA软件，建立内爆炸下大跨度球面网壳结构数值模拟计算模型。通过改变球面网壳围护结构和连接构件的刚度，研究球面网壳主体结构在内爆炸下的破坏模式。结果表明：大跨度球面网壳结构在受到内爆炸荷载冲击后围护结构和连接结构件的刚度对主体结构泄爆效果有较大的影响。影响结果具体如下：当围护结构板厚BH=0.001m时，连接构件刚度越大，围护结构和连接构件所组成的结构体系使主体结构在受到爆炸荷载冲击时具有比较好泄爆效果；当围护结构板厚BH=0.002m和围护结构板厚BH=0.003m时，连接构件刚度越小，围护结构和连接构件所组成的结构体系使主体结构在受到爆炸荷载冲击时具有比较好泄爆效果；对于大跨度空间球面网壳结构而言，当围护结构使用板厚BH=0.002m时的结构体系的在受到爆炸荷载冲击时的泄爆性能比围护结构使用板厚BH=0.003m时好。

关键词：抗爆，围护结构刚度，连接构件刚度，泄爆

1.引言

球面网壳外形优美、施工简单，是大跨度空间结构常见的形式之一，尤其在大型公共建筑中被广泛使用，已经成为现代化城市的重要标志[1]。这类建筑人员活动频繁密集，经常成为恐怖者袭击的目标，并造成重大的人员伤亡和财产损失，影响社会的长治久安。因此，对球面网壳结构在内爆炸下的泄爆研究已经成为人们关注的重要话题[2]。目前，大跨度空间结构防爆抗爆研究也逐步受到重视[3-4]。例如：P.C.Chan等人[5]通过分析泄爆口对普通住宅中小规模内爆炸所产生的冲击波的影响，发现泄爆口不影响如射冲击波的超压只，只影响内爆炸产生的准静态压力持续时间；E.Vyzmina和S.Jallais等人[6]指出工业和建筑业中发生内爆炸时，采用合理的泄爆方式能有效减少冲击波对内部人员和设备的伤害；Crawford John E[7]提出了冷弯薄壁钢构件结構的抗暴设计建议，并针对此类房屋进行了抗暴分析；A.Saleha等[8]分别考虑了建筑内部和外部的爆炸，通过改变爆炸点位置，讨论建筑结构形式对抗暴的影响，结果表明：小表面积率及形状规则的结构对抗暴更加有利；翟希梅， 王永辉等[9]对结构对称性应用等方面进行了探索，研究了屋面板开洞率、开洞数量及洞口分布、洞口位置对结构响应的影响；林学鹏， 董启明等[10]通过改变结构尺寸和TNT当量，分析结构在不同情况下的爆炸动力响应；高轩能等[11-12]对空间钢柱壳结构在内爆炸荷载作用下动力效应、冲击波压力场分布和泄爆措施等进行了研究，获得冲击波压力场在大跨度空间结构表面上的具体分布。屋面围护结构和主体结构通过连接构件连接在一起，是主体结构在受到爆炸荷载冲击后冲击波主要作用的部位，所以屋面围护结构与其连接构件刚度的强弱必然会影响结构的泄爆性能[13]。国内外对此并没有做更深一步的研究，所以本文综合考虑这两项因素来研究球面网壳结构的泄爆性能。目的是为了寻找出最合理的结构形式，使网壳结构的泄爆模型更加优化。围护结构刚度的大小受其厚度的影响[14]，连接构件的刚度的大小受其直径的影响，所以本文通过改变围护结构厚度和连接构件的直径，从节点位移、应力、及能量的角度出发，来研究爆炸荷载下围护结构的刚度与连接构件的刚度对网壳结构泄爆的影响。

2.数值模拟

运用ANSYS/LS-DYNA软件建立K6单层球面网壳结构模型，整个计算模型主要有空气、炸药、地面、网壳杆件以及围护结组成。炸药位于结构中心，炸药TNT当量为250kg，距离地面1.2m处，整个结构包裹在空气中，空气和炸药采用显示实体SOLID164单元，地面、屋面和围护结构采用SEHLL163单元，ALE空间尺寸为44m×44m×22m。

3.模拟结果

3.1围护结构刚度和连接构件刚度选择

在大跨度球面网壳结构的爆炸荷载作用下，炸药爆炸后会产生冲击波，并且直接作用在围护结构与连接结构件所组成的结构体系上。围护结构和连接构件刚度的强弱直接影响到大跨度球面网壳结构泄爆能力的大小，从而影响到结构的动力响应情况。围护结构和连接构件的刚度的变化通过构件尺寸大小来改变，连接构件选用实心圆钢管，用控制变量法选取三组数据进行模拟如下；当围护板厚BH=0.001m时，连接构件直径D选0.025m、0.030m、0.035m、0.040m、0.045m和0.050m；当围护板厚BH=0.002m时，连接构件直径D选0.025m、0.030m、0.035m、0.040m、0.045m和0.050m；当围护板厚BH=0.003m时，连接构件直径D选0.025m、0.030m、0.035m、0.040m、0.045m和0.050m。

3.2围护结构刚度和连接构件刚度对泄爆的影响

1）当围护板厚BH=0.001m时，结构的失效应变响应值为；当连接构件直径D=0.025 m时，结构内部的内能为1.1035×1010J，柱顶位移为6.4843×10-6m，杆件应力为360.2×108 pa；当连接构件直径D=0.030 m时，结构内部的内能为1.1032×1010J，柱顶位移为6.3894×10-6m，杆件应力为363.9×108 pa；当连接构件直径D=0.035m时，结构内部的内能为1.1027×1010J，柱顶位移为6.3278×10-6m，杆件应力为363.2×108 pa；当连接构件直径D=0.040m时，结构内部的内能为1.1018×1010J，柱顶位移为6.2398×10-6m，杆件应力为364.7×108 pa；当连接构件直径D=0.045m时，结构内部的内能为1.1018×1010J，柱顶位移为6.1650×10-6m，杆件应力为365.7×108 pa；连接构件直径D=0.050m时，结构内部的内能为1.0972×1010J，柱顶位移为6.1075×10-6m，杆件应力为355.4×108 pa；具体结果如下表4所示，表中的数值为从模拟曲线中提取的最大值

当围护板厚BH=0.001m时，从表4可知，连接构件直径D=0.025m时主体结构在爆炸荷载下受到的能量值最大，随着连接构件直径的增加，主体结构的能量慢慢变小；当连接构件直径D=0.050m时，主体结构的能量最小。说明当连接构件刚度比较小时，连接构件和围护结构所连接面处柔性比较大。主体结构受到爆炸冲击后，围护结构开裂不充分，爆炸所产生的能量不能有效的向外发散，能量聚集在主体结构中，对主体结构不利；当连接构件刚度比较大时，连接构件和围护结构所连接面处刚度比较均衡。主体结构受到爆炸冲击后，围护结构充分开裂，爆炸所产生能量可以迅速向外发散，此种情况可以比较好的保护主体结构。且从表4可知当连接构件直径依次变大时，结构的应力也依次变大，但是当连接构件直径D=0.050m时，主体结构在受到爆炸荷载冲击后所受应力突然降低。说明当连接构件直径大到一定值时，围护结构和连接构件所组成结构体系使主体结构在爆炸荷载冲击冲击下，具有比较好的泄爆能力。综上可知，在围护板厚BH=0.001m的情况下，連接构件刚度较大时，主体结构失效应变响应比较小，主体结构在受到爆炸荷载冲击后的泄爆能力较强。主要是因为当围护板厚BH=0.001m时，刚度比较小、柔性大，与刚度较大的连接构件相连时，围护结构刚度和连接构件刚度都处在了最有利于主体结构泄爆的刚度值，这时二者相互连接所组成的结构体系的刚度相互均衡，使主体结构达到最佳的泄爆效果。

2）当围护板厚BH=0.002m时，结构的失效应变响应值为；当连接构件直径D=0.025 m时，结构内部的内能为1.1051×1010J，柱顶位移为7.4722×10-6m，杆件应力为358.8×108 pa；当连接构件直径D=0.030 m时，结构内部的内能为1.1102×1010J，柱顶位移为7.6466×10-6m，杆件应力为378.9×108 pa；当连接构件直径D=0.035m时，结构内部的内能为1.1141×1010J，柱顶位移为8.0066×10-6m，杆件应力为369.0×108 pa；当连接构件直径D=0.040m时，结构内部的内能为1.1142×1010J，柱顶位移为8.0071×10-6m，杆件应力为369.8×108 pa；当连接构件直径D=0.045m时，结构内部的内能为1.1142×1010J，柱顶位移为8.0107×10-6m，杆件应力为373.4×108 pa；连接构件直径D=0.050m时，结构内部的内能为1.1136×1010J，柱顶位移为7.9777×10-6m，杆件应力为374.7×108 pa；具体结果如下表5所示，表中的数值为从模拟曲线中提取的最大值。

当围护板厚BH=0.002m时，从表5可知，随着直径的增加，主体结构能量慢慢变大，当连接构件直径D=0.040m左右时，主体结构的能量最大。当连接构件直径D再增大时，主体结构能量又变小，但是连接构件直径D=0.025m时，主体结构在受到爆炸荷载冲击时的能量始终最小。可见当连接构件直径D=0.040m左右时，围护结构和连接构件所组成的结构体系对主体结构泄爆不利；当连接构件直径D=0.025m时，围护结构和连接构件所组成的结构体系对主体结构泄爆有利。说明连结构件刚度比较小时，围护结构和连接构件所组成的结构体系可以使主体结构在受到爆炸荷载冲击时达到比较好的泄爆效果。总体来看当连接构件直径D=0.045m时，主体结构受爆炸荷载冲击后位移最大，当连接构件直径大于或者小于0.045m时，主体结构受爆炸荷载冲击后位移都比较小。可以看出当连接构件直径D=0.025m时，应力为358.8×108 pa，明显小于其他数值。说明连接构件刚度比较小时，围护结构和连接构件所组成的结构体系使主体结构在受到爆炸荷载作用时冲击所受的应力比较小、泄爆比较充分。综上可知，在围护板厚BH=0.002m的情况下，当连接构件直径D=0.040m左右时，主体结构失效应变响应比较大，结构的泄爆能力较弱；当连接构件直径D=0.025m时，主体结构失效应变响应比较小，结构的泄爆能力较强。主要是因为围护板厚BH=0.002m时，围护结构刚度已经比较大，当连接构件刚度比较小时，二者刚度才能相互均衡，使围护结构和连接构件组成的结构体系在受到爆炸荷载冲击时最容易破坏，主体结构达到最好的泄爆效果。

3）当围护板厚BH=0.003m时，结构的失效应变响应值为；当连接构件直径D=0.025 m时，结构内部的内能为1.1097×1010J，柱顶位移为7.9865×10-6m，杆件应力为338.3×108 pa；当连接构件直径D=0.030 m时，结构内部的内能为1.1119×1010J，柱顶位移为7.9045×10-6m，杆件应力为362.1×108 pa；当连接构件直径D=0.035m时，结构内部的内能为1.1156×1010J，柱顶位移为8.2040×10-6m，杆件应力为360.6×108 pa；当连接构件直径D=0.040m时，结构内部的内能为1.1168×1010J，柱顶位移为8.2749×10-6m，杆件应力为364.9×108 pa；当连接构件直径D=0.045m时，结构内部的内能为1.1169×1010J，柱顶位移为8.2548×10-6m，杆件应力为367.9×108 pa；连接构件直径D=0.050m时，结构内部的内能为1.1170×1010J，柱顶位移为8.2542×10-6m，杆件应力为370.9×108 pa；具体结果如下表5所示，表中的数值为从模拟曲线中提取的最大值。

当围护板厚BH=0.003m时，从表6可知，当连接构件直径D=0.050m时曲线处于六条曲线的最高位置，主体结构能量最大，随着直径的增加，主体结构在受到爆炸荷载冲击时能量慢慢变大；从表6可知，当连接构件直径D=0.025m时，主体结构受到爆炸荷载冲击后柱定顶位移为7.9865×10-6m主体结构；当连接构件直径D=0.050m时，主体结构受到爆炸荷载冲击后柱定顶位移为8.2542×10-6m。可见当连接构件直径D=0.025m时，主体结构柱顶受到爆炸荷载冲击后明显最小。当连接构件直径D=0.025m时，主体结构在爆炸荷载冲击下应力比较小，随着连接构件直径的增加，主体结构在爆炸荷载冲击下应力增大。综上可知，在围护板厚BH=0.003m的情况下，连接构件刚度较小时，主体结构失效应变响应比较小，结构的泄爆能力较强。

4 结论

应用ANSYS/LS-DYNA程序，对大跨度空间球壳结构在内爆炸作用下的数值进行模拟，通过改变围护结构和连接结构的刚度，比较网壳结构的失效应变响应情况，得出如下结论；围护结构的刚度和连接结构件的刚度对大跨度空间网壳结构的泄爆能力影响很大；当围护结构板厚BH=0.001m时，连接构件刚度越大，围护结构和连接构件所组成的结构体系使主体结构在受到爆炸荷载冲击时具有比较好泄爆效果，说明此时刚度较小的围护结构和刚度较大的连接结构件所组成的结构体系对主体结构的泄爆较好；当围护结构板厚BH=0.002m和围护结构板厚BH=0.003m时，连接构件刚度越小，围护结构和连接构件所组成的结构体系使主体结构在受到爆炸荷载冲击时具有比较好泄爆效果，说明此时刚度较大的围护结构和刚度较小的连接结构件所组成的结构体系对主体结构的泄爆也较好；对于大跨度空间球面网壳结构而言，当围护结构使用板厚BH=0.002m时的结构体系的在受到爆炸荷载冲击时的泄爆性能比围护结构使用板厚BH=0.003m时好。

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基金项目：本文为华侨大学研究生科研创新能力培育计划资助项目（编号：1611304031）