爆炸作用下高强钢结构材料与构件的损伤性能研究

High-strength steel (HSS) structure has been successfully applied in practical projects such as large public buildings and defense projects, showing broad prospect for development. Its safety in explosion hazard has become an important problem for its engineering application. Therefore, investigations on blast-resistant performance and damage assessment of HSS structure will be carried out systematically in this research project from material and component these two levels. Firstly, constitutive models for HSS and weld materials under high strain rate conditions will be established and dynamic damage models based on micromechanism were proposed and calibrated. Then, blast resistant tests for HSS column will be conducted to study the column dynamic response and failure modes under blast loads, and subsequently fluid-solid coupling model will be established to simulate the blast tests, the numerical simulation formula of the explosion overpressure peak will be proposed. Finally, the micro dynamic damage model will be adopted to predict damage evolution of the HSS component under blast loads, the applicability and accuracy of the material damage model will be validated. The pressure-impluse (P-I) diagram will be proposed, which can provide an effective method for the damage assessment of HSS component under blast loads. The expected research achievement will play a significant role in developing blast resistant design method for HSS structures.

高强钢结构在国内外大型公共建筑及国防工程等领域中得到了成功应用并展现了广阔的发展前景，在爆炸事件中的安全性研究已成为其工程应用中面临的一个重要问题。本项目从材料与构件两个层面系统开展高强钢结构抗爆性能和灾后损伤评估方法的研究。建立高强度钢材及其焊缝材料在高应变率条件下的本构模型，基于微观机理提出材料动力损伤模型并标定其参数；开展高强度钢柱抗爆性能试验，研究爆炸作用下钢柱的动态响应和破坏模态；采用流固耦合算法对爆炸试验进行数值模拟，提出爆炸超压峰值数值模拟公式；将材料动力微观损伤模型应用于高强钢结构构件在爆炸作用下的损伤性能分析，验证材料模型的适用性和准确性；研究构件在不同爆炸工况下的动力响应与损伤发展情况，建立相应的压强-冲量（P-I）损伤曲线，为高强钢结构构件在爆炸作用下的损伤评估与设计提供准确有效的方法。研究成果对于发展和完善高强度钢结构的抗爆设计具有重要意义。

高强钢结构在国内外大型公共建筑及国防工程等领域中得到了成功应用并展现了广阔的发展前景，在爆炸事件中的安全性研究已成为其工程应用中面临的一个重要问题。本项目从材料与构件两个层面，针对高强钢结构的抗爆性能开展研究。（1）进行了Q460JSC和HQ600两种高强钢在0.001~4000/s应变率范围内的准静态和动态拉伸试验，结合数值模拟，得到了两种钢材动态力学性能指标，并利用修正的Johnson-Cook模型对其进行了拟合，得到了本构模型参数；并开展了两种高强度钢材缺口试件的拉伸试验，对Johnson-Cook损伤模型参数进行了标定，为高强钢结构在爆炸作用下的动态响应分析和损伤程度评估提供必要的基础。（2）开展了Q460JSC、HQ600两种高强钢以及Q345B普通钢的H型钢梁抗爆试验，研究了冲击波传播规律及爆炸作用下钢梁动力响应规律，分析了比例距离、钢材强度、迎爆方向等因素对钢梁抗爆性能的影响。试验结果直接反映了高强钢结构构件在不同爆炸工况下的动态响应和破坏模态，为高强钢结构的抗爆性能研究提供试验依据，对于保证高强钢结构的抗爆性能和抗爆设计的可靠性具有重要意义。（3）采用LS-DYNA有限元软件，进行了高强度钢构件抗爆性能的数值模拟研究，根据试验结果验证了数值模拟的可靠性，并进一步研究了约束方式、比例距离、截面类型、高跨比等因素对高强度钢构件抗爆性能的影响，为评估爆炸事件中高强度钢构件的安全性提供一种有效分析方法。