浅谈开展网壳结构抗冲击研究的必要性

林莉 朱昱 刘晓东 王圣宝

911事件的严重后果，让学者们更加重视冲击对于结构的影响（图1）。冲击荷载是外荷载随时间迅速变化的荷载，是一种短时作用的偶然荷载，能使被冲击体应力、位移、速度或者加速度发生瞬态变化。而冲击荷载虽然是偶然荷载，但由于战争及恐怖袭击中火炮、各类穿甲弹、导弹等武器袭击建筑物，飞机发生故障时高速坠落，施工中的失误造成高空坠物，风致飞射物等原因，近年来引起建筑物破坏的事件不断增加。

冲击作用于建筑物不能简单的把它看作自然、軍事现象，它非常容易引申为社会灾难。近年来，国际上发生多次大型建筑物在冲击荷载作用下倒塌破坏的惨剧，给生命财产造成了巨大的损失，众所周知的“9. 11”事件，恐怖分子架机分别以800km/h及1000km/h的速度撞击美国标志性建筑物世贸中心的南北塔楼，造成近三千人罹难和巨额财产的损失， 是人类进入21世纪以来影响最大的灾难性事件，也是对冲击作用下建筑物响应与失效模式研究的一次重大挑战。使此类研究更具有现实性、艰巨性和紧要性。

我国有不少具有重要政治与经济意义的标志性建筑和重大工程，一旦发生类似“9·11”事件，将给国民经济造成巨大损失，这些建筑物的失效模式及破坏机理，以及提出结构倒塌条件及预防措施的研究，是公众及工程界非常关心、迫切需要解决的问题，为此，国内外有很多专家学者做了一些研究。就导致破坏倒塌的结构形式而言“ 9. 11”事件的被撞击体是超高层的筒中筒钢结构物。我国有不少具有重要政治与经济意义的标志性建筑，有一系列诸如核电站、巨型高坝、超高层建筑、海洋平台、大型桥梁等对国民经济具有举足轻重意义的重大工程，其中大部分是钢混结构（构筑） 物。这些标志性建筑物和重大工程是恐怖分子可能攻击破坏的主要目标，因此，一旦发生类似“9.11”事件或受到偶然性外来飞射体撞击，如何评价这些钢混结构物的破坏效应，是公众及工程界非常关心、迫切需要研究解决的问题。外来飞射体与重大工程结构物撞击类研究所包括的内容复杂，涉及的科学范围广泛。其中，撞击体可包括各类飞机、导弹、飓风卷起的飞射体，甚至包括宇宙垃圾“， 天外来客”等；被撞击体可包括钢结构物、钢混结构物、空旷结构物或核电站安全壳、易燃易爆的石化设备等；有恐怖分子以破坏为目的的主动撞击造成的破坏，从而导致人员伤亡和经济损失，也有偶然灾难事故带来的非主动撞击的破坏效应问题；碰撞后可能造成局部破坏的直接效应，继而产生结构的冲击振动、火灾、爆炸，直至建筑物倒塌等多种形式的破坏效应；在这些破坏效应中，既有撞击、振动、火灾、爆炸等荷载产生的应力波作用型的破坏，也有包括剪切、大变形挠曲、构件的直接破损、接触面的滑移、分离或提离等结构型的破坏，其中涉及了多种几何、材料和接触类非线性问题。结构破坏机理复杂，模型化难度大，缺少可供分析使用的有效的数学模型，这些都给这类分析带来很大困难。阿根廷的B. M. Luccioni等分析了一钢筋混凝土结构在爆冲击荷载作用下倒塌的全过程；新加坡的J. Y.Richard Liew研究了钢框架组合结构在冲击爆炸和火灾共同作用下的响应； 美国的A. Saleha 和H .Adelib对自适应智能结构在爆炸冲击荷载作用下的自我控制性能进行了研究；美国加州大学伯克利分校的Albolhassan Astaneh - Asl试验研究了钢框架组合结构在单个关键构件冲击破坏后的响应，并针对此种情况提出了防止结构倒塌的措施。

网壳结构造型美观，受力合理，用料经济，能跨越较大空间，是具有广阔发展前景的空间结构形式。随着我国建设事业的迅猛发展，近十年来网壳结构的应用日益增多，而且结构形式逐渐多样化，跨度也越来越大，发展速度惊人，出现了很多高水平的作品（图2）。大跨空间结构在工程上具有广泛的应用，而且多数为人员密集的重要场所，如体育场馆、候机厅、会展中心、展览馆、博物馆、飞机库等，此类建筑如若遭遇恐怖袭击，引起的直接间接损失将十分严重。因此，对于冲击作用下网壳结构的响应的研究具有重要意义。

本文资助课题：黑龙江省教育厅科学技术研究项目，课题编号：12531135。

（作者单位：哈尔滨理工大学）