华侨大学硕士学位论文大空间钢结构的爆炸动力响应及抗爆设计方法姓名：王书鹏申请学位级别：硕士专业：结构工程指导教师：高轩能20080501大空间钢结构的爆炸动力响应及抗爆设计方法 I摘摘 要要 大空间钢结构应用广泛，但是因为建筑内人群密集，往往会成为恐怖分子的袭击目标。由于大空间结构跨度大、体形复杂、自振频率密集及爆炸荷载的特殊性，使得之前的结构抗爆研究成果和抗爆设计方法不再适用于该类结构。为此，论文在大空间钢结构的抗爆研究方法上做了一些探索， 并结合一种常见的拱形大空间结构形式，对其进行抗爆研究，主要内容如下： 应用有限元软件 LS-DYNA 对一个空中爆炸模型进行了数值模拟， 计算结果与经验公式计算结果符合较好，证明模型及材料参数的可靠性，为结构内爆炸的数值模拟提供依据。 采用验证后的材料参数，对一个拱形大空间结构进行了爆炸数值模拟，试验现象及计算结果表明了研究方法的可行性及数值模型的可靠性。 考虑空间内各点的冲击波压力时程存在时空差异，通过引入本征正交分解（POD）方法，较好地解决了结构表面的冲击波压力场分布问题。针对拱形大空间结构，通过改变结构表面孔洞的布置形式、矢跨比、高度、炸药 TNT 当量、爆炸点位置等参数，研究了在不同情况下结构表面的压力场分布，得到可靠结论。 作用在结构上的冲击波荷载确定以后， 选取三向网格单层柱面网壳结构作为研究对象，分析其在爆炸荷载下的动力响应。作者采用 Ritz-POD 法计算结构动力响应，通过与传统振型叠加法比较，证明采用该方法可以获得较好的计算精度和效率，但同时指出该方法的缺点及使用时的注意要点，即 Ritz 向量阶数取值与本征模态的阶数取值的比值较大时方能取得较好计算精度。针对所选结构，通过改变矢跨比、结构高度、爆炸 TNT 当量及爆炸点的位置，分析了各参数改变对结构动力响应的影响，得到可靠结论，并根据结论提出结构抗爆设计的建议。 最后，介绍目前国内外的抗爆设计方法，根据研究成果及大空间结构自身特性，提出了大空间结构抗爆设计应遵循的设计原则及设计方法。 关键词：关键词：大空间钢结构；抗爆研究；本征正交分解法；动力响应；Ritz 向量叠加法；抗爆设计方法 大空间钢结构的爆炸动力响应及抗爆设计方法 IIAbstract Large-space steel structures have been greatly constructed recently as public buildings. They are crowded and are frequent target of terrorist attacks. Because of their long-span, complicated shape, concentrated distribution of natural vibration frequency and the particularity of blast loads, previous research and design method of explosion resistance have no application to large-space steel structures. So the paper discussed the research method of explosion resistance for large-space steel structure. By using this, a study of explosion resistance on an arch large-space structure was carried out. The main contents are as follows: By using LS-DYNA, the finite element model was presented for the simulation of explosion in air, the results showed a well consistent with empirical formula, the reliability of model and material parameter was proved, so the basis for numerical simulation of explosion in building was provided. After adopting these material parameters, the numerical simulation of explosion in an arch large-space structure was carried out, and the results showed that the research method and model were reliable. In view of the asynchronous pressure waveform of shock wave in deferent place, Proper Orthogonal Decomposition method (POD) was introduced, the problem of pressure distribution on structure was solved. By way of changing the parameters such as hole distribution on structure, rise-span ratio of structure, height of structure, TNT equivalence and position of explosion, the pressure distribution on arch large-space structure was investigated in different situation. Some reliable conclusions were gotten. After the impulse load on structure was defined, the paper studied the dynamic response of a single-layer reticular shell, which was a kind of arch large-space structure. The Ritz-POD method, which was proved to be efficient and precise by compared with the superposition method, was suggested to analyze the dynamic response of structure. Meanwhile, the shortage of Ritz-POD method was pointed out. The use point was that the ratio of Ritz vectors number to eigenmodes number should be larger. By way of changing the parameters such as rise-span ratio of 大空间钢结构的爆炸动力响应及抗爆设计方法 IIIstructure, height of structure, TNT equivalence and position of explosion, the dynamic response of shell was investigated in different situation, then the reliable conclusions were gotten. According to it, suggestions about design method of explosion resistance were proposed. At last, recent design methods of explosion resistance for structure were presented. According to the upper research method and the characters of large-space steel structures, the design principles and methods for large-space steel structures were given. Key words: Large-space steel structures, Proper Orthogonal Decomposition method, Dynamic response, Ritz-POD method, Design method of explosion resistance 原创性声明原创性声明 本人声明兹呈交的学位论文是本人在导师指导下完成的研究成果。论文写作中不包含其他人已经发表或撰写过的研究内容，如参考他人或集体的科研成果，均在论文中以明确的方式说明。本人依法享有和承担由此论文所产生的权利和责任。 学位论文作者签名：学位论文作者签名： 日期：日期： 学位论文版权使用授权声明学位论文版权使用授权声明 本人同意授权华侨大学有权保留并向国家机关或机构送交学位论文和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅。 论文作者签名：论文作者签名： 指导教师签名：指导教师签名： 签签 名名 日日 期：期： 签签 名名 日日 期：期： 大空间钢结构的爆炸动力响应及抗爆设计方法 1第一章第一章 绪绪 论论 1.1 课题背景 课题背景 爆炸是在某一个“系统”中，其物理和化学能量急骤转化的一种过程。在这个过程中“系统”的内在势能急剧地转变为动能、机械能以及光和热的辐射。就其产生的原因来说，可以分为物理爆炸、化学爆炸和核爆炸。炸药在一定的外界因素作用下发生高速化学反应，同时生成大量气体产物和放出大量热量，从而对周围介质做功，产生爆炸作用，属于化学爆炸14。炸药是一种体积小、质量轻、制造和控制容易的能源，在军事上和国民经济建设的许多领域得到广泛的应用，然而正因为其体积小、质量轻、杀伤力强等特点，炸药也越来越多被恐怖分子所利用，恐怖爆炸活动对国际社会的和平与安宁造成巨大威胁，成为危害国家安全和社会稳定的毒瘤。 大空间结构是近年来我国大量兴建的建筑形式，目前多用于体育场馆、会议展览中心、博物馆、机场、影剧院等，是当今大型公共建筑最主要的结构形式之一。从使用上看，该类建筑多用于重要的公共设施，内部人群比较集中，所以它也往往成为恐怖分子的袭击目标。从近年来发生的爆炸事件中分析不难发现，很大一部分爆炸就是针对这类建筑，其中有：2004年1月4日菲律宾南部棉兰老岛帕朗市的一个体育馆在举行篮球比赛时发生爆炸事件，结果造成至少8人死亡、43人受伤；2004年1月23日郑州火车站售票厅清洁工具柜前发生爆炸，造成两人死亡、3人受伤；2004年5月9日车臣共和国首府格罗兹尼的一个体育场发生爆炸，至少造成10人死亡、100人受伤；2006年3月29日菲律宾南部城市迪戈斯的一座汽车站发生爆炸，至少造成8人受伤。这些恐怖爆炸事件充分表明：在未来恐怖爆炸事件中，使用汽车或人体炸弹袭击城市中心人口聚集的建筑物已经成为近年来全世界恐怖组织进行恐怖活动的一个主要特征。 大空间结构多采用建筑钢材或高强度钢索作为主要构件，此类