爆炸作用下钢筋混凝土结构损伤破坏与连续倒塌分析高效数值模型研究

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1、ＴＩＡＮＪＩＮＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ中国第－所现代大学ＦＯＵＮＤＥＤＩＮ１８９５博士学位论文—土木工程级学科：学科专业：结构工程钟波作者姓名：指导教师：李忠献教授天津大学研究生院２０１７年３月天津大学研究生毕业论文爆炸作用下钢筋混凝土结构损伤破坏与连续倒塌分析高效数值模型研究StudyonEffectiveNumericalModelforDamageandProgressiveCollapseAnalysisofRCStructuresunderBlastLoading【申请博士学位】国家自然科学基金重点项目（编号：51238

2、007）、国家重点研发计划项目（编号：2016YFC0701105）和国家科技支撑计划课题（编号：2012BAJ07B05）资助一级学科：土木工程学科专业：结构工程研究生：钟波指导教师：李忠献教授天津大学建筑工程学院二零一七年三月DissertationofTianjinUniversityStudyonEffectiveNumericalModelforDamageandProgressiveCollapseAnalysisofRCStructuresunderBlastLoading【SubmittedforDoctor’sDegree】(SponsoredbyNatio

3、nalNaturalScienceFoundationofChinaundergrantNo.51238007,NationalKeyResearchandDevelopmentProgramofChinaundergrantNo.2016YFC0701105andNationalKeyTechnologiesR&DProgramofChinaundergrantNo.2012BAJ07B05)Subject：CivilEngineeringSpecialty：StructuralEngineeringCandidate：ZHONGBoSupervisor：Prof.Dr.L

4、IZhongxianSchoolofCivilEngineeringTianjinUniversityMarch2017摘要近年来，恐怖爆炸袭击事件与意外爆炸事故频繁发生，这些突发性爆炸不仅会造成直接的人员伤亡，而且还会导致爆源附近的建筑结构发生损伤破坏甚至连续倒塌，继而进一步加剧灾害程度。由于我国城市现代化的迅速发展，城市建筑日益密集，人口更加集中，一旦建筑结构在爆炸作用下发生连续倒塌，将会引起重大人员伤亡及恶劣的社会影响。同时，建筑结构抗爆、防连续倒塌设计及爆炸灾后应急评估的有效性，均取决于准确、高效的结构损伤破坏与连续倒塌分析方法。为了促进建筑结构抗爆与防连续倒塌设计理

5、论的发展，从而提高建筑结构抗倒塌安全性，本文基于钢筋混凝土结构倒塌破坏的特点，从材料本构模型、构件单元模型以及结构倒塌模型三方面开展了系统性研究，实现了材料、构件及结构的损伤破坏模拟，最终建立了爆炸作用下钢筋混凝土结构连续倒塌分析高效数值模型，主要研究工作和创新成果包括以下几个方面：（1）在经典连续介质力学理论框架内，混凝土材料应变软化段的引入将导致理论解的病态性、数值解的网格相关性以及物理失效过程的零能量耗散。为了克服数值模拟中的网格相关性问题，将非局部积分算法引入Mazars局部损伤模型中，建立了Mazars非局部损伤模型，并且推导了模型的数值积分格式，基于通用有限元软件

6、LS-DYNA进行了二次开发。对一维杆件静态受拉过程与波传播问题进行了模拟分析，结果表明该模型可以较好地模拟杆件的损伤演化过程，并且模拟结果与网格尺寸无关，验证了模型的有效性；同时，对静力作用下钢筋混凝土柱的软化行为以及冲击作用下钢筋混凝土梁的动力响应过程进行了模拟分析，所得结果与试验值吻合良好，并且成功消除了构件力-位移曲线下降段的网格相关性，表明该模型可以客观地模拟钢筋混凝土构件的损伤破坏过程，为钢筋混凝土结构损伤破坏甚至连续倒塌的模拟奠定了基础。（2）研究了爆炸作用下钢筋混凝土柱剩余承载力的网格相关性问题。针对四种不同的网格尺寸，对某钢筋混凝土柱从施加初始轴力、爆炸荷载

7、以及轴向位移加载的整个过程进行了模拟分析，结果表明柱的跨中位移响应能得到收敛的结果，而柱的剩余承载力随着网格尺寸的减小不断增大，始终无法收敛。研究发现引起这一问题的主要原因是混凝土材料模型中缺少一个特征尺度，从而导致材料的局部损伤与网格尺寸相关。将应变率效应引入Mazars非局部损伤模型中，并用于上述钢筋混凝土柱的模拟分析中，结果表明考虑应变率效应的Mazars非局部损伤模型可以消除爆炸作用下钢筋混凝土柱剩余承载力的网格相关性，为爆炸作用后钢筋混凝土结构的损伤及倒塌风险评估提供了可靠的保障。（3）基于传