爆炸与火灾联合作用下钢结构损伤破坏与连续倒塌分析

我国经济繁荣、社会稳定，但由于世界形势复杂多变、地区间贫富差距，社会矛盾依然存在，我国依然面临着潜在的人为恐怖袭击爆炸威胁。爆炸发生后将导致建筑结构发生破坏；与此同时，爆炸会引发火灾等次生灾害。对于钢结构建筑，火灾是最具有破坏效应的特殊作用之一，爆炸及爆炸后引起的火灾将进一步加剧结构的破坏，甚至引发结构的连续倒塌，给人民生命及财产安全带来严重威胁。研究爆炸和火灾联合作用下钢结构的损伤机理及连续倒塌具有重要意义。 本项目对钢构件在爆炸与火灾联合作用下的损伤破坏模式与钢结构倒塌机理进行研究，取得成果如下： （1）爆炸与火灾联合作用下的荷载模型。通过对室内爆炸及爆炸后火灾发展规律的研究，以我国典型民用建筑为研究对象，采用数值模拟和理论推导的方法建立了室内爆炸荷载模型、爆炸后建筑内部火灾温度模型，以及作用于构件的荷载模型，为进一步研究钢构件在爆炸火灾下的损伤破坏奠定基础。 （2）爆炸与火灾联合作用下钢结构构件的损伤评估。通过对钢材在高应变率、高温下损伤演化规律的研究，提出一种基于连续损伤力学理论和微观空隙发展理论的损伤模型，并将其引入钢材本构模型中，建立了爆炸与火灾联合作用下钢柱损伤破坏分析方法；通过对不同截面尺寸、不同高度钢柱的参数分析，研究了爆炸与火灾联合作用下钢柱的失效模式，采用公式拟合的方法建立了爆炸与火灾联合作用下钢柱损伤评估的P-I-t曲面; 通过对钢柱在爆炸下响应规律的研究，提出一种钢柱在爆炸与火灾联合作用下的快速损伤评估方法，采用公式拟合的方法得到爆炸荷载下钢柱的整体变形与局部变形，并作为初始条件引入抗火分析。该研究成果可应用于任意截面钢柱在爆炸与火灾下的初步损伤评估。 （3）爆炸与火灾联合作用下钢结构连续倒塌高效分析模型与方法。通过对倒塌过程中钢结构节点受力特征的分析，提出一种考虑轴力-弯矩耦合效应的节点模型，进而建立应用于连续倒塌分析的钢框架结构高效数值分析模型；参照国外相关规范，提出了结构在同一楼层内及不同楼层间的容许倒塌范围，进而建立子结构的选取原则，提出了一种基于子结构法的钢框架结构快速损伤评估方法；在上述研究基础上，提出了钢框架结构在爆炸与火灾联合作用下连续倒塌的分析方法，通过大量参数分析，建立了结构抗火时间与炸药当量的关系，研究了钢框架结构爆炸与火灾联合作用下的倒塌机制。该成果可实现钢结构在爆炸与火灾作用下的快速抗倒塌评估。 2100433B

本项目针对爆炸冲击荷载造成的结构局部损伤与破坏将显著降低钢结构抗火性能的现象，拟采取理论分析与数值模拟相结合的研究方法，系统开展爆炸与其次生灾害-火灾联合作用下钢结构的损伤破坏与连续倒塌分析研究，以钢梁、钢柱等结构构件和典型钢结构为研究对象，通过研究爆炸与火灾作用下钢结构损伤破坏的相关性，建立爆炸与火灾联合作用下钢梁、钢柱等结构构件的损伤破坏分析方法；通过研究爆炸后火灾作用下钢梁、钢柱等结构构件的损伤破坏规律，建立爆炸与火灾联合作用下钢梁、钢柱等结构构件的损伤程度评估方法；通过研究爆炸后火灾作用下温度环境的时空变化规律，建立爆炸与火灾联合作用下钢结构连续倒塌分析与倒塌时间预测方法。为日益广泛应用的钢结构的安全设计提供可靠的理论依据和分析手段，因而具有重要的理论意义和工程价值。

项目针对我国民用建筑结构抗爆防护的迫切需求，系统开展了爆炸荷载或与火灾联合作用下建筑结构抗连续倒塌控制理论与方法研究。通过研究爆炸荷载或与火灾联合作用下建筑材料和构件损伤破坏的力学模型，建立典型建筑结构材料的动态本构关系及失效准则，提出相应的结构构件的单元模型；通过研究爆炸荷载或与火灾联合作用下建筑结构连续倒塌的高效数值分析方法，模拟典型结构形式的建筑结构的连续倒塌过程，揭示建筑结构的连续倒塌机制与模式；通过研究爆炸荷载或与火灾联合作用下建筑结构倒塌式间的关系，提出控制建筑结构倒塌过程的构造措施以及控制方法，建立建筑结构连续倒塌模式控制技术。项目出版学术专著1本，发表期刊论文42篇，其中SCI检索27篇，EI检索14篇；申请国家专利4项；培养青年教师6名，培养博士生6名、硕士生20名。主办大型国际学术会议5次，出席国际学术会议并作报告10人次，其中特邀报告1人次。研究成果为新建建筑结构抗连续倒塌设计和既有建筑结构抗连续倒塌性能评估与加固设计提供了坚实的科学技术支撑，从而提高大型建筑结构的抗连续倒塌能力，并为制订我国建筑结构抗连续倒塌设计标准提供重要的理论依据。 2100433B

本项目拟针对我国民用建筑结构抗爆防护的迫切需求，瞄准相关领域的国际前沿，系统开展爆炸荷载或与火灾联合作用下建筑结构抗连续倒塌控制理论与方法研究。通过研究爆炸荷载或与火灾联合作用下建筑材料和构件损伤破坏的力学模型，建立典型建筑结构材料的动态本构关系及失效准则，提出相应的结构构件的单元模型；通过研究爆炸荷载或与火灾联合作用下建筑结构连续倒塌的高效数值分析方法，模拟典型结构形式的建筑结构的连续倒塌过程，揭示建筑结构的连续倒塌机制与模式；通过研究爆炸荷载或与火灾联合作用下建筑结构倒塌模式间的关系，提出控制建筑结构倒塌过程的构造措施、智能控制方法以及新结构体系，建立建筑结构连续倒塌模式控制的理论与方法。研究成果将为新建建筑结构抗连续倒塌设计和既有建筑结构抗连续倒塌性能评估与加固设计提供坚实的科学技术支撑，从而提高大型建筑结构的抗连续倒塌能力，并为制订我国建筑结构抗连续倒塌设计标准提供重要的理论依据。

本书针对火灾和爆炸联合作用下轻钢框架结构倒塌机理及防护措施进行了初步研究。通过建立新的钢材本构关系用来综合考虑高温软化效应与高速应变率效应，建立了火灾和爆炸荷载联合作用下轻钢柱损伤评估方法，开展了轻钢框架结构倒塌过程及机理的研究。