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建筑结构抗爆及防连续倒塌专栏(特邀主编李忠献)

      近几十年来,因恐怖袭击以及生产和生活中的疏忽而引发的各类意外爆炸事件屡有发生,不仅对爆源附近的人员及建筑造成毁伤,而且爆炸冲击波传播与周边建筑相互作用,还会引起爆源附近数公里范围内建筑群的损伤破坏,造成重大的人员伤亡和财产损失,甚至引发社会恐慌。然而,由于爆炸荷载具有超压峰值高、持续时间短等特点,爆炸荷载作用下建筑结构的破坏与连续倒塌分析主要存在如下问题:爆炸荷载作用下建筑材料的应变率效应及动态力学模型尚不完善,结构构件的破坏模式较为复杂,其动态响应规律及破坏模式需要进一步研究;对于建筑结构的破坏与连续倒塌分析,涉及裂缝开展、大变形等几何非线性问题,求解复杂、计算耗时。为此,近年来国内学者在建筑结构抗爆及防连续倒塌领域开展了系统研究,取得了丰硕的成果,完善和发展了建筑结构抗爆和防连续倒塌分析与设计理论。
      基于上述背景,我有幸担任《建筑结构学报》特邀主编,组织《建筑结构抗爆及防连续倒塌》专栏,面向全国建筑结构抗爆防护研究领域的学者进行约稿组稿。通过专家严格评审,在2024年第1期的《建筑结构抗爆及防连续倒塌》专栏中刊登优秀学术论文5篇,从建筑材料的动态力学特性,到爆炸冲击荷载作用下典型结构构件的动态响应及破坏模式,再到爆炸荷载下建筑结构的连续倒塌机制,向广大读者集中展示了国内在建筑结构抗爆及防连续倒塌领域的创新研究成果,主要包括:通过高温准静态和动态力学性能试验,研究了国产Q690DQT高强钢的动态力学性能,并提出了适用的动态本构模型;通过试验、数值模拟等研究手段,揭示了爆炸冲击荷载作用下钢梁、钢筋混凝土梁等典型结构构件的动态响应规律和破坏模式,提出了爆炸荷载下钢梁动力响应的相似分析方法;通过子结构试验研究,揭示了爆炸荷载作用下钢筋混凝土框架结构抗连续倒塌的反拱机制。
      最后,恳请广大专家、学者、工程师多提宝贵意见,期待业内专家紧密协作,共同推动建筑结构抗爆防护的创新发展与工程应用。

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  • 建筑结构抗爆及防连续倒塌专栏
    肖伟芳, 陈思琦, 赵宪忠
    建筑结构学报. 2024, 45(1): 12-26. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2023.0048
    作为钢结构中主要承重构件的钢柱,其在近距离爆炸作用下的荷载分布和动态响应,尤其是入射角对钢柱爆炸荷载和动态响应的影响规律等方面研究较为匮乏。为此,采用LSDYNA有限元分析软件,研究近距离爆炸作用下工字形截面钢柱在不同入射角下的爆炸荷载分布和动态响应。结果表明:当冲击波加载于钢柱截面强轴时,翼缘板爆炸荷载受稀疏波效应影响显著,与无限大反射面的相比,其反射冲量下降10%~50%;近距离爆炸工况下稀疏波传播速度远大于现行抗爆设计规范中所假设的环境声速,表明环境声速假设在近距离爆炸工况下并不适用;在弱轴加载工况下,稀疏波效应并不明显,由于冲击波在截面内发生多次反射,延长了其正相持时,因而腹板上的峰值冲量反而高于无限大反射面条件下的峰值冲量;当入射角小于同时通过迎爆侧翼缘板边缘点与工字形截面形心的入射角时,冲击波的主要作用区域为两翼缘板与腹板所围内凹区域,其爆炸荷载和腹板局部变形在入射角为30°时达到最大值,两个半翼缘板呈向外张开态势,且张开幅度随入射角的增大而减小;而当入射角大于同时通过迎爆侧翼缘板边缘点与工字形截面形心的入射角时,冲击波则主要作用于迎爆侧翼缘板,其爆炸荷载和整体挠度在入射角为90°时达到最大值,两个半翼缘板向内闭合,且闭合幅度随入射角的增大而增大。
  • 建筑结构抗爆及防连续倒塌专栏
    刘思嘉, 陈力, 冯彬
    建筑结构学报. 2024, 45(1): 27-35. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2022.0941
    在通过化学爆炸模拟核爆炸加载的缩尺结构抗爆试验中,为使结构变形满足几何相似,需设计约束和封闭等特殊方案来提高化学爆炸荷载作用时间,显著增加了缩尺结构试验的成本和难度,且缩尺比例越小,误差越大。为解决该问题,提出一种爆炸荷载作用下钢梁动力响应的相似分析方法,并通过数值计算验证了该方法的准确性。结果表明:在弹性响应阶段,若要使钢梁跨中最大变形满足几何相似,则需要模型与原型材料相同且几何形状相似,化学爆炸加载模型与核爆炸加载原型结构的等效静载相同;在塑性响应阶段,钢梁跨中最大变形无法满足几何相似,仅在缩尺模型化学爆炸荷载持时长于一最小作用时间的情况下,可通过几何相似系数与延性比系数的乘积来表示模型和原型的变形相似关系,并给出了延性比系数的解析表达式。
  • 建筑结构抗爆及防连续倒塌专栏
    尹泽豪, 贾鹏程, 吴昊
    建筑结构学报. 2024, 45(1): 36-46. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2023.0253
    已有诸多低速冲击试验表明按照现有规范静态受弯破坏设计的RC构件,在冲击作用下会向冲切破坏模式转变。为了明确低速冲击下典型RC梁的破坏模式转变机理及其冲切破坏判据,对6组RC梁落锤冲击试验中构件的弯曲和冲切破坏模式、冲击力、支座反力和跨中位移时程进行数值模拟复现,验证了采用的材料本构模型及参数和数值模拟方法的可靠性。采用已验证的数值模拟方法开展RC梁的冲切破坏机理分析,评估了落锤质量、截面尺寸、冲击速度、混凝土强度、配箍率、纵筋配筋率和剪跨比对冲切破坏模式的影响程度,发现除纵筋配筋率和剪跨比外,其余参数均能改变RC梁的局部速度响应或动态受剪承载力,进而显著影响RC梁的破坏模式。进一步,根据330个落锤冲击工况的数值模拟结果,提出了关键截面的动态剪切荷载Vd,sd和动态受剪承载力Vd,sc的经验公式,并给出了RC梁冲切破坏判据的显式表达式。通过与71组落锤冲击试验对比,得到该判据对RC梁冲切破坏预测准确率达到90%,可辅助于RC结构的抗冲击性能评估与设计。
  • 建筑结构抗爆及防连续倒塌专栏
    陈素文, 魏鑫纳, 李国强,
    建筑结构学报. 2024, 45(1): 47-57. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2023.0351
    为了研究温度20~700℃下国产Q690D-QT高强钢的拉伸力学性能,开展了系列高温准静态和动态拉伸力学性能试验。试验结果表明:准静态拉伸下随温度上升,弹性模量和名义屈服强度f0.2、f0.5(其中f0.2取为应力-应变曲线和应变0.2%比例偏移线交点的应力,f0.5取应变为0.5%时对应的应力)不断下降,而名义屈服强度f1.0、f1.5、f2.0(其中f1.0、f1.5、f2.0分别取应变为1.0%、1.5%和2.0%时对应的应力)和抗拉强度在200~300℃间先略有上升,后不断下降;动态拉伸下屈服强度在室温下应变率效应不明显,在700℃时应变率效应明显。进一步地,采用多项式拟合给出了准静态弹性模量、屈服强度和抗拉强度的高温折减系数预测公式;并标定了可有效描述温度20~700℃、应变率1000s-1下Q690D-QT高强钢拉伸力学性能的Johnson-Cook模型参数(A=760 MPa,B=402 MPa, n=0.534, C=0.004, m=0.966)。
  • 建筑结构抗爆及防连续倒塌专栏
    李忠献, 刘昊琨, 师燕超, 丁阳,
    建筑结构学报. 2024, 45(1): 1-11. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2023.0313
    为了研究爆炸荷载作用下钢筋混凝土双跨梁子结构抗连续倒塌机制,对3榀钢筋混凝土框架双跨梁子结构的中节点进行竖向冲击加载,以模拟爆炸荷载作用下承重柱失效对子结构产生的轴拉效应。结果表明:在加载瞬间,由于惯性效应,梁受力呈现出显著的反拱机制,随着惯性效应的减弱以及中节点竖向位移的增加,梁表现出压拱机制;在试验冲击工况下,子结构没有出现纵筋断裂,梁的破坏模式均表现为梁端弯曲破坏;顶部纵筋通长配置可以减轻跨中混凝土的开裂,并减小子结构在动力加载时的峰值位移响应。