混凝土地下结构在爆炸荷载作用下的数值分析.pdf
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1、第 2 9卷第 1 期 2 0 1 2年 3月 土木工程与管理学报 J o u r n a l o f C i v i l E n g i n e e r i n g a n d Ma n a g e me n t Vo 1 2 9 No 1 Ma r 2 01 2 混凝 土地下结构在爆 炸荷载作用下的数值分析 李 武 , 王立永 ( 1 中交第三航务工程勘察设计院有限公司, 上海2 0 0 0 3 2; 2 中国公路工程咨询集团有限公司, 北京1 0 0 0 7 8 ) 摘要: 对实际地下人防的结构体系进行三维数值计算和分析, 通过与结构设计中常用的P K P M软件计算结果 进行对比, 发
2、现用 P K P M计算得出板的内力值不能完全包络有限元分析得出的结果 , 而用 P K P M计算得出的 梁、 柱的内力值均能包络有限元分析得出的结果。说明在 P K P M软件中梁柱的简化计算方法是合理的, 能够真 实反应梁柱受力状态, 但是 P K P M软件对板的简化计算方法偏于危险, 不能完全包络板的最大内力可能出现的 位置。例如战时工况时, P K P M软件计算中取板中点作为最不利内力位置是不合理的, 通过有限元分析进行了 验证。在此基础上分析了目前工程中现浇板比较容易出现裂缝的原因, 并就此提 出对人防地下结构设计的修 改建议 , 为爆炸作用下混凝土结构设计提供借鉴和参考。 关
3、键词: 混凝土; 地下结构 ; 流固耦合; 爆炸荷载; P K P M 中图分类号 : T U 9 3 ; T U 3 5 2 1 3 ; 0 3 8 3 2 文献标识码 : A 文章 编号 : 2 0 9 5 - 0 9 8 5 ( 2 0 1 2 ) 0 1 - 0 0 6 8 - 0 6 Nume r i c a l Ana l y s i s o f Dy n a mi c Re s p o ns e o f C o n c r e t e Un d e r g r o u n d S t r u c t u r e S u b j e c t e d t o B l a s t L
4、o a d i n g Wu WANG Li y o n g ( 1 C C C C T h i r d H a r b o r C o n s u l t a n t s C o L t d , S h a n g h a i 2 0 0 0 3 2 , C h i n a ; 2 C h i n a H i g h w a y E n g i n e e r i n g C o n s u l t i n g G r o u p C o m p a n y L t d , B e i j i n g 1 0 0 0 7 8 , C h i n a ) Ab s t r a c t :Th
5、r e e di me n s i o n a l n u me r i e a l a n a l y s i s o n t h e s t r u c t u r a l s y s t e m o f c i v i l a i r de f e ns e i S c a r r i e d o u t By c o mp a rin g t he d e riv e d r e s u l t s wi t h t h e r e s u l t s t h r o u g h t h e c o mmo n s o f t wa r e PKPM ,i t c a n b e fo
6、u nd t h a t t h e i n t e r n a l f o r c e o f s l a b c a l c u l a t e d b y PKPM c o u l d n o t e n v e l o p e t he fin i t e e l e me n t a n a l y s i sb u t t h e i n t e r na l f o r c e v a l u e o f b e a n a n d c o l umn c o u l d Th i s s h o ws s i mp l i fie d c a l c u l a t i o n
7、 me t h o d i s r e a s o na b l e f o r t h e b e a m a n d c o l u mn i n PKP M s o f t wa r ewh i c h r e fle c t s t h e t r u e f o r c e s t a t e o f山e b e a m a n d c o l u mnBu t s i mp l i f i e d c a l c u l a t i o n me t h o d i s s o me wh a t d a n g e r o u s for t h e b o a r d i n
8、t h e s o ftwa r e,a n d c a n n o t c o mpl e t e l y e n v e l o pe t h e p o s s i b l e p o s i t i o n o f t h e ma x i mu m i n t e r n a l for c e s Fo r e x a mp l e,i t i s u n r e a s o na b l e t h a t PKPM c h o o s e s t h e c e n t e r o f s l a b a s t h e mo s t un f a v o r a b l e
9、p o s i t i o n i n wa r t i me c o n d i t i o n s wh i c h i s v e r i fie d b y fin i t e e l e me n t a n a l y s i s me t h o d Ba s e d o n t h e a s s ump t i o n,t h e r e a s o n t h a t c r a c k i S l i k e l y t o o c c u r i n c a s t i n p l a c e s l a b i s s t ud i e da n d s e v e
10、r a l p o s s i b l e i mp r o v e me n t s o n t he s t ru c t ur a l d e s i g n o f t he c i v i l a i r d e f e n s e b a s e me n t i s p r o p o s e d,wh i c h c o u l d b e a g o o d g u i d e l i n e i n t h e d e s i g n o f c o n c r e t e s t r uc t u r e u n d e r b l a s t l o a d i n g
11、 Ke y wo r ds:c o n c r e t e;u n d e r g r o u n d s t r u c t u r e;l i q ui d s o l i d c o u p l e d me t ho d;b l a s t l o a d i n g;PKPM 地下人防结构 , 考虑到有可能发生 的战争危 险 , 所以地下空间的结构设计通常要考虑平时、 战 时两种工况的结合 。平战结合的人防工程是指和 平时期能为城市经济和防灾服务 , 战争前通过必 要的转换措施能满足战时防空要求 的地下工程 。 该类工程结构设计标准和要求与地上结构不同, 许多学者对此进行 了研究 ,
12、 有的提 出了 自己的方 法并且做 了大 量 的实 验 , 主要 有 : 等 效 静 荷 载 法 、 概率法 I 3 J 、 数值模拟研究 等。由于爆 炸加载混凝土的过程十分复杂, 现有的研究成果 还不完善 , 远不能满足实际工程 的需要 , 有必要对 爆炸荷载作用下混凝土结构的破坏效应作进一步 收稿 日期 : 2 0 1 1 -0 8 - 0 2 修 回日期 : 2 0 1 l l l - 2 0 作者简介 : 李武( 1 9 7 8 一 ), 男 , 黑龙江人 , 高级工程师 , 博士 , 研究方 向为岩土工程和地下工程 ( E ma i l : l i wt h e i d i c o
13、m) 第 1 期 李武等 : 混凝土地下结构在爆炸荷载作用下的数值分析 6 9 深入研究。本 文在某实 际地下人 防工程 的基 础 上 , 建立三维数值模型 , 对战时炸药爆炸作用下地 下人防结构的受力状况进行计算 和分析 , 并与结 构计算 中常用 的 P K P M软件计算结果进行对 比, 从理论上分析结果差异 的原因 , 最后提出对 人防 地下室结构设计的建议 。 1 基本 方程 为 了建立在 A L E描述下 的控制方程 , 利用非 线性连续介质力学的方法 以及高斯定理可以推出 物理量 G ( ) g ( , ) d , 日( ) ( x , t ) d ( 1 ) 物质导数为 : +
14、 ) d O H = 厶 O h + 考察一连续体, 用a 、 和a 分别表示 物质域 、 空间域 和参考域 的边界 , 而用 P 。 和 分别表示连续体各构形 的密度。在不同 构形中该连续体的质量 M可 以写成 : M d P d 上 。 d ( 4 ) 式中 , ( , )= ( , ) , P o ( , )=, p ( , f )。 质量守恒定律表明, 质量的整体变化率 ( 即 物质导数 ) 应等于零。利用式( 3 ) 和式( 4 ) 可 以得 到在参考坐标系下的质量守恒方程为 : l + = 0( 在 域 中 ) ( 5 ) 类似 于修正拉 格朗 日( U L ) 方法 , 在空 间
15、域 中求解控制方程是 比较方便 的。可 以将质量 守恒方程写成 : 害 I + ci 业a x i + p O Vi = 0( 在 域 中 ) ( 6 ) 动量守恒定律表 明, 在 t 时刻 占据参 考域 物理总动量的整体变化率等于施加在物体上的外 力之和 , 即 : 击 l d = d S + d ( 7 ) 式中, t 是作用在参考域 的边界a 的单位表 面上的力, 是作用于物体中单位质量的体力。 利用散度定理可写成 : 票 I + p w j : + ( 在 域 中 ) ( 8 ) p I + + 仕 城 式中 , 是定义在参考构形下的第一类皮奥拉一 克 希荷夫应力 张量 ( 即拉格 朗
16、 日应力 张量 ) 。它与 真实应力 ( 即柯西应力) 张量 o r 的关系 : # = , o r 酊 ( 9 ) 如果在参 考域 中直接求解式 ( 9 ) , 的不对 称性将会给求解带来一定 困难。由于定义在现时 构形 中的柯西应力是真实应力 , 因此在某些情况 下将该式 转化 到空间域 中求解 是方便 的 , 将式 ( 8 ) 两边 同乘l厂 后整理可得 : f + JD c f 垫: + ( 在 域 中 ) ( 1 0 )P O + JD 一 x i + 征 域 J 甲 J( 能量守恒方程定 律指 出, 能量 ( 包括 内能和 动能两部分) 对时间的整体变化率应等于单位 时 间内外力对
17、物理所作 的功与单位时间内传人物体 的热量之和( 这里没有考虑物体从外界得 到的其 它能量 ) , 即 击 尉 叫 5 + 一 式中, E是物体 中单位 质量 上 的能量 , q 为热通 量 。 Oe I + 毒= 蓍 一 詈 ( ) 式 中, e 为物体单位质量 中的内能。 同样将上式转 化到现时构形中, 即 P O e + O e = O v i 一 O q i ( 1 3 ) 事实上 , 能量方程只有 当存在不 同类型的能 量转化时才起作用 。 2 工程概况 本文研究对象为一实际工程 : 场地 内原建筑 物 已经基本拆除, 拟建一幢 1 2层楼 , 框剪结构 , 半 地下室; 5幢 5
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- 关 键 词:
- 混凝土 地下 结构 爆炸 荷载 作用 数值 分析
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