爆炸和火荷载联合作用下钢筋混凝土柱损伤与破坏的分析方法研究

火灾的高温会使钢和混凝土材料性能严重劣化，如果此前结构已受到爆炸荷载的作用而严重损伤，则火灾高温会加剧这种损伤，从而使结构性能大大削弱。由于各种突发性爆炸事故大多发生在人口稠密、可燃物集中的城市环境内，所以爆炸以及其引起的火灾常常会造成周围构件的损伤和破坏甚至结构的整体坍塌，后果十分严重。因此，如何对其提出有效的防护手段，已经成为摆在各国工程科技人员面前的一项重要而现实的课题。本申请课题拟对爆炸和火荷载耦合作用下钢筋混凝土结构构件的损伤与破坏进行系统地分析研究，通过试验研究、理论分析及数值模拟相结合的方法，建立应变速率与温度耦合的混凝土本构模型以及爆炸和火荷载联合作用下钢筋混凝土承重柱变形与损伤破坏的数值分析方法和理论计算方法，揭示爆炸和火荷载耦合作用下钢筋混凝土承重柱的损伤破坏机理，为今后进一步地深入研究、防灾结构设计以及灾后结构加固提基础、方法和措施。

火灾高温引起钢和混凝土材料性能严重劣化，如果结构又受到爆炸作用，高温和爆炸效应产生耦合，结构发生损伤、破坏甚至倒塌的可能性将大大增加。由于各种突发性爆炸事故大多发生在人口稠密、可燃物集中的城市环境内，所以爆炸和火灾的联合作用常常会造成十分严重的后果。如何对其提出有效防护手段，已经成为摆在各国科技人员面前的一项重要而现实的课题。本项目执行期间，课题组分别从材料和结构层次开展研究，通过试验、理论及数值相结合的方法，对爆炸和火灾耦合作用下RC柱破坏响应进行了系统研究。材料层次方面，自主研制了高温混凝土SHPB自动对杆冲击加载实验装置HTA-SHPB。并基于该装置和MTS试验机对混凝土材料在不同温度下的准静态、动态性能进行了大量试验，初步建立了能够反应混凝土温度和应变率耦合效应的材料本构模型。构件层次方面，针对先爆炸后火灾的情况，基于自主开发的2D纤维梁动力分析模型，建立了能够考虑先爆炸后火灾情况下的构件动力响应分析方法，并编制了计算程序FRAME-BF；针对先火灾后爆炸的情况，建立了隐-显式耦合的的三维有限元分析方法，并对于RC柱不同受火情况下的瞬态热传导，剩余承载力以及抗爆特性进行了系统研究。理论方法方面，基于Timoshenko梁理论，通过建立等效频率矩阵、等效荷载矩阵以及修正的等效质量矩阵，采用变量分离法联立方程求解，建立了爆炸作用下RC柱非线性响应及破坏模式的高效分析方法。建立了能够描述大变形、大应变的3D纤维梁柱显式分析单元，并通过用户自定义单元VUEL在ABAQUS软件中进行了实现。基于MMFM方法改进，建立了承受轴力的RC梁以及预应力RC梁的抗爆动力响应分析方法，并编制了计算程序。以上理论方法为引入业已建立的温度相关混凝土本构模型奠定了坚实的基础。课题组还对于爆炸和火灾耦合作用下钢筋混凝土柱的防护问题进行了初步探讨，对于蜂窝材料和FRP材料的吸能、加固机理进行了试验和数值研究。相关研究内容发表学术论文22篇，其中SCI/EI收录19篇，参加国际国内学术会议5次，获国家科技进步二等奖1项，获省部级科技进步一、二等奖各1项，申报国家发明专利2项，软件专利1项；进一步的研究计划获得了2013年国家自然科学基金青年面上连续项目资助（51378016）。本项目的研究填补了国内外钢筋混凝土结构在多灾场响应方面研究的空白，为进一步深入研究防灾设计和灾后加固提供了基础。