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爆炸荷载作用下土工砌体结构的性能 | MDPI CivilEng

已有 1725 次阅读 2022-7-4 16:19 |系统分类:论文交流

作者简介

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Paulo B. Lourenco 教授

葡萄牙米尼奥大学

Paulo B. Lourenco,葡萄牙米尼奥大学土木工程系教授、结构工程可持续性与创新研究所所长、结构保护和法医工程领域专家、欧洲砌体结构规范 (EN 1996-1-1) 的主要修订者、欧洲纪念碑和历史建筑结构分析大师协调员、国际建筑遗产杂志的编辑和历史建筑结构分析系列会议的顾问;在无损检测、先进的实验和数值技术、创新修复与加固技术以及地震工程等领域拥有丰富经验;主持发表博士论文50余篇,协调多项国家和国际研究项目。


文章导读

历史建筑是历史文明进步的见证,具有历史、文化、科技和艺术等多方面的保护价值。然而,这些建筑较多采用土工砌体结构,长期以来一直受到自然和人为因素的威胁,其中最典型的是爆炸袭击破坏。


来自葡萄牙米尼奥大学土木工程系的 Paulo B. Lourenco 教授团队在CivilEng期刊发表了题为“Numerical Analysis of an Earthen Masonry Structure Subjected to Blast Loading”的文章,以位于阿罕布拉的 Torre de la Vela 塔为例,通过数值仿真评估了其在爆炸载荷作用下的结构性能。作者首先通过有限元方法 (Finite Element Methods, FEM) 创建塔体结构模型,然后基于现有的经验方程结合爆炸事件历史记录将爆炸荷载简化为合理的压力曲线;建模时使用动态增加因子来表征脉冲载荷对材料特性的影响,该因子可通过实验确定;最后使用 Abaqus/Explicit 中的显式动态分析对这一问题进行了研究。研究发现,在建筑物外部和内部施加爆炸载荷会产生较低的损伤水平,但应谨慎处理,因为还会存在局部损坏。此外,与 Abaqus 中的混凝土拉伸损伤选项相比,移除超过给定损伤阈值的元素会导致更明显的损伤模式。


研究内容

1.爆炸荷载定义与结构建模

阿尔罕布拉宫的许多塔楼在历史上发生过多次爆炸事件。爆炸中突然释放的能量可以等效质量 TNT 释放的能量作为公认的爆炸当量参考标准。本研究采用的炸药类型为黑火药,一种19世纪欧洲常用的火药,其1 kg 相当于约0.6 kg 的 TNT。爆炸的空间和时间历程演变如图 1 所示,可用两种不同方法将爆炸施加的压力简化为三角形荷载。

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图1. 爆炸荷载的空间和时间历程演变。


结构上的爆炸载荷可以在外部或内部发生。本研究将110 kg 的 TNT 放置在距建筑物南立面4 m 处模拟外部爆炸载荷场景,如图2 (a) 所示,此时作用于南立面的所有荷载均使用反射压力计算,其余荷载使用峰值侧向超压计算;再将6.8 kg 的 TNT 放置在建筑物的北房间模拟内部爆炸场景,如图2 (b) 所示,爆炸中心距北墙0.4 m,距地面0.2 m。

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(a)

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(b)

图2. 爆炸场景模拟:(a) 外部爆炸;(b) 内部爆炸。


作者通过 Abaqus 软件采用混凝土塑性损伤 (Concrete Damaged Plasticity, CDP) 本构模型对结构进行建模,为减少不同加载场景的计算时间,采用了四种简化建模方式,如图 3 所示。

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图3. 适用不同加载场景的模型:(a) 完整的建筑模型;(b) 简化的立面模型;(c) 2 级模型;(d) 内墙模型。


2.主要结果——外部爆破

为更好地了解建筑物区域开裂情况,图 4 展示了 Torre de la Vela 塔楼结构的拉伸应变。从图中可看出第 3 层的入口周围发现了裂缝,该处最靠近爆炸中心。东立面也出现了一些对角线裂缝并与垂直于爆炸方向的屋顶裂缝相连。此外,钟形山墙也展示出明显裂缝,表明存在局部破坏。在建筑物内部,四层南侧拱顶有剪切裂缝,东侧拱顶有径向裂缝。这些裂缝对应于屋顶和东立面的外部裂缝。最靠近建筑物入口的外砖砌体墙也有开裂的迹象。

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图4. 外部爆炸场景下塔楼结构的拉伸应变:(a) 建筑外部;(b) 建筑内部。


3. 主要结果——室内爆破

在图 5 中可以看到冲击波作用区域的拉伸损伤。本研究选择0.77作为损伤阈值,发现在施加载荷时 Z1-S 壁会出现明显的损坏。到0.10秒时,Z1-S 墙上的大部分单元都超过了张力损伤阈值,且墙的最终位移偏转会超过2.4 m。最大的位移发生在中央拱门和最右侧拱门之间,两个大拱门之间的柱子顶部出现了完全损坏。

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图5. 建筑物内墙的损坏时间历程。


研究总结

本文使用有限元法研究了土工砌体结构在爆炸载荷作用下产生的损伤,展示了结构受到外部和内部爆炸时的损伤分布规律与具体损伤程度。研究过程中还发现在 Abaqus 中使用基于拉伸损伤的失效体积指数,可以描述土工砌体结构在爆炸载荷后发生的损伤程度,但应谨慎使用因为它并不总是考虑局部损伤效应;接触元件的使用会导致正面能量的更多耗散;在描述爆炸载荷造成的损伤时,网格尺寸不会影响损伤程度但会影响分布模式。


CivilEng 期刊介绍

主编:Angelo Luongo, University of L'Aquila, Italy

期刊发表的原创性论文、综述和通讯涉及土木工程的各个领域,主题领域包括但不限于:环境工程、地质工程、地震工程、测绘与地理空间工程、水利资源工程、石油钻采工程、海岸及港口工程、建筑工程、固体力学、结构工程、交通运输工程等

Time to First Decision:24.5 Days

Acceptance toPublication:4.6 Days

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