基于耦合模型的含金属泡沫保护层钢筋混凝土构件抗爆性能分析与实验研究

Metal foam is very attractive for use in mitigating blast effects on structures due to the advantages of high temperature resistant, corrosion resistance and high energy absorption efficiency. Recent study on blast testing aluminum foam protected reinforced concrete (RC) slabs has demonstrated that the response is significantly reduced due to the metallic foam cladding. In this project a coupled load cladding structure model based on the finite element technique is developed to quantify the interaction between the cladding, reinforced concrete beam and blast loads. In the coupled load cladding structure interaction model the RC beam is modeled as small regions referred to as hinges together with large non-hinge regions while with microstructure model the foam cladding layer over the RC beam is modeled with an idealized lumped mass spring system which considers deformation of the foam layer in the loading direction. Field blast tests will be carried out for validation of the coupled load cladding structure interaction model. The validated model is then used to conduct parametric studies to derive normalized P-I diagram to facilitate the development of cost-effective engineering design tools for cladding protected RC members. It will enable design engineers to take advantage of the desirable properties of cellular materials for anti-terrorism. The application of this project will lead to saving lives, reducing the extent of injury and minimizing economic disruption.

金属泡沫材料具有耐高温、耐腐蚀和高吸能效率的优点，非常适合作为结构抗爆外保护装置，其优越的减爆性能已为多次爆炸试验所验证。项目围绕泡沫保护钢筋混凝土构件的抗爆性能及其应用，考虑泡沫保护层、钢筋混凝土构件和爆炸荷载之间的动力相互作用，结合数值分析和模型实验展开研究：首先通过虚拟微观材料实验确定泡沫材料动力特性，并建立精细的构件弯矩转角模型，分别采用非线性连续弹簧单元和铁摩辛柯梁单元模拟保护层和构件，由此建立一种高效实用的耦合分析模型，并利用抗爆实验验证其精度。通过参数分析，研究整体构件的爆炸破坏规律和泡沫材料的减爆效能。最后，应用荷载-泡沫层-构件耦合模型计算分析给出压力-冲量曲线图，据此提出泡沫铝保护构件抗爆设计方法和破坏评估标准。项目着力揭示泡沫保护钢筋混凝土构件的抗爆机理，为结构抗爆减爆设计提供科学实用的计算模型和指导意见，以期最大限度地降低恐怖袭击及其他偶然爆炸造成的生命财产损失。

意外爆炸事故和爆炸恐怖袭击等事件的频繁发生，不仅造成了严重的社会政治影响，还带来了大量的人员伤亡和财产损失，因此如何减轻建筑结构在爆炸冲击荷载作用下的破坏程度，最大程度地降低人们的生命财产损失，成为了科研工作者亟需解决的问题。. 金属泡沫材料具有耐高温,耐腐蚀和高吸能效率的优点，非常适合作为结构抗爆外保护装置，其优越的减爆性能已为多次爆炸试验所验证。项目围绕泡沫保护钢筋混凝土构件的抗爆性能及其应用，考虑泡沫保护层,钢筋混凝土构件和爆炸荷载之间的动力相互作用，结合数值分析和模型实验展开研究：首先通过虚拟微观材料实验确定泡沫材料动力特性，并建立精细的构件弯矩转角模型，分别采用非线性连续弹簧单元和铁摩辛柯梁单元模拟保护层和构件，由此建立一种高效实用的耦合分析模型。开展了大量的泡沫铝保护钢筋混凝土板野外抗爆试验，研究了受保护构件的爆炸破坏规律，同时利用抗爆实验结果验证数值方法精度。通过参数分析，研究整体构件的爆炸破坏规律和泡沫材料的减爆效能。最后，应用荷载-泡沫层-构件耦合模型计算分析给出压力—冲量曲线图，据此提出泡沫铝保护构件抗爆设计方法和破坏评估标准。项目着力揭示泡沫保护钢筋混凝土构件的抗爆机理，为结构抗爆减爆设计提供科学实用的计算模型和指导意见，以期最大限度地降低恐怖袭击及其他偶然爆炸造成的生命财产损失。.