CN110110382B - 一种内部双爆源烟花厂房结构爆炸荷载的确定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种内部双爆源烟花厂房结构爆炸荷载的确定方法，包括以下步骤：(1)确定两个爆源在烟花厂房结构内部单独爆炸时的爆炸荷载(包括各墙面平均反射压力
Figure DDA0002024403230000011
和平均反射冲量
Figure DDA0002024403230000012
)；(2)本发明对结构各墙面进行区域划分，将(1)中计算出的两个爆炸荷载叠加后得到各墙面的总平均反射压力和总平均反射冲量，再乘以本发明所公开的结构各墙面各区域的增强系数λ，得到结构各墙面各区域的爆炸荷载。本发明方法考虑了内部双爆源爆炸荷载在结构内部分布极不均匀的现象，更为准确的确定内部双爆源的爆炸荷载；本发明计算简便，节省了大量的时间成本，具有良好的工程实际应用价值。

Description

一种内部双爆源烟花厂房结构爆炸荷载的确定方法
技术领域
本发明是一种烟花厂房结构爆炸荷载的确定方法，尤其是涉及一种内部双爆源烟花厂房结构爆炸荷载的确定方法。
背景技术
爆炸荷载常采用的确定方法有两种，一种是参照规范进行确定；另一种是采用显式动力分析软件进行数值模拟确定。上述两种方法在应用于内部双爆源烟花厂房的爆炸荷载确定时，存在诸多不足。根据相关规范，单爆源室内爆炸在确定爆炸荷载时，假定爆炸荷载沿结构各墙面均匀分布，然而双爆源室内爆炸的爆炸荷载与单爆源对比，沿墙面分布极不均匀，因此在等效为单爆源进行荷载确定时，存在很大的不准确性，在实际爆炸荷载的局部峰值区域存在很大的安全隐患。而采用显式动力分析软件可以准确的计算出其爆炸荷载，但流固耦合算法耗时极长，软件操作对非专业人员而言要求高。因此以上两种方法在确定内部双爆源爆炸荷载时缺乏针对性，难以应用于工程实际。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术的缺陷，提供一种可以准确、快速的确定内部双爆源烟花厂房结构的爆炸荷载的内部双爆源烟花厂房结构爆炸荷载的确定方法。
本发明所采用的技术方案是：
一种内部双爆源烟花厂房结构爆炸荷载的确定方法，包括如下步骤：
(1)烟花厂房结构为典型的三面墙和一面屋顶的钢筋混凝土结构，三面墙分别为两面侧墙和一面后墙，将厂房各墙面进行如下划分：
对于左右两面侧墙：将左右两面侧墙等分成九个相等的区域；
对于后墙和屋顶：以后墙和屋顶的中轴线为对称轴将后墙和屋顶分为左右两部分区域，将左右两部分区域分别分成九个相等的区域；
(2)根据规范UFC 3-340-02计算出厂房内两个间隔距离为20cm-240cm的爆源分别在不同间距下同时爆炸分别作用在烟花厂房结构内部的爆炸荷载，所述的爆炸荷载包括厂房内各墙面的平均反射压力
Figure BDA0002024403210000021
和平均反射冲量/>
Figure BDA0002024403210000022
然后将两个爆源同时作用在一个墙面上的平均反射压力/>
Figure BDA0002024403210000023
相加得到该墙面的总平均反射压力，将两个爆源同时作用在一个墙面上的平均反射冲量/>
Figure BDA0002024403210000024
分别相加得到该墙面的总平均反射冲量，两爆源均位于结构中心竖轴一上一下并列排布，关于结构中心点对称；
(3)将厂房在某一爆源间隔距离下各墙面的总平均反射压力和总平均反射冲量分别乘以该间隔距离下各墙面各区域的爆炸荷载增强系数λ，得到烟花厂房结构内部双爆源在该间隔距离下同时爆炸作用下各墙面各区域调整后的爆炸荷载；
所述的爆炸荷载增强系数λ是通过数值模拟得到，具体步骤如下：
第一步，采用LS-DYNA显式动力分析软件对内部双爆源烟花厂房的爆炸进行数值模拟，建立炸药和空气模型；采用单点多物质ALE算法进行模拟，计算出内部双爆源间隔距离为20cm时烟花厂房结构各墙面的反射压力和反射冲量；
第二步，采用多点积分方法，在LS-DYNA烟花厂房结构模型的左右两面侧墙的九个区域中以及后墙和屋顶对称轴一侧的九个区域中分别均布选取25个测点，将每个区域中的25个测点的反射压力和反射冲量分别进行多点积分，求出各墙面各区域的反射压力和反射冲量，其中后墙和屋顶对称轴另一侧的九个区域的反射压力和反射冲量与后墙和屋顶对称轴一侧的九个区域反射压力和反射冲量关于对称轴对称；
第三步，将计算出的各墙面各区域反射压力Pr和反射冲量ir，分别除以各墙面的总平均反射压力和总平均反射冲量，得到各墙面九个区域的爆炸荷载增强系数λ，当λ＜1时，取λ＝1；
第四步，重复第一步、第二步、第三步，在重复的过程中只改变第一步中构建LS-DYNA有限元模型时两爆源的间隔距离，将两爆源的间隔距离由20cm开始递增至240cm，每次递增10cm，求出每个爆源间隔距离下的后墙中间水平排列的六个区域中对称轴一侧的三个区域以及侧墙墙面中间水平排列的三个区域的爆炸荷载增强系数，每个爆源间隔距离下的后墙中间水平排列的六个区域中对称轴另一侧的三个区域的爆炸荷载增强系数关于对称轴对称，绘制后墙和侧墙的增强系数λ随两爆源的间隔距离变化的关系图。
本发明的一种内部双爆源烟花厂房结构爆炸荷载的确定方法，解决了传统方法难以应用于内部双爆源烟花厂房结构爆炸荷载确定的缺陷，具有以下优点：
1、考虑了爆炸荷载的分布不均匀性，可以准确的确定内部双爆源烟花厂房结构的爆炸荷载；
2、步骤简单，不需要使用高性能计算机，对使用人员的技术要求低，可以快速的确定内部双爆源烟花厂房结构的爆炸荷载。
附图说明
图1-1为本发明中烟花厂房结构侧墙九个区域分区图；
图1-2为本发明中烟花厂房结构后墙十八个区域分区图；
图1-3为本发明中烟花厂房结构屋顶十八个区域分区图；
图2-1为本发明中所公开烟花厂房结构爆源间隔20cm后墙各区域增强系数；
图2-2为本发明中所公开烟花厂房结构爆源间隔20cm屋顶各区域增强系数；
图2-3为本发明中所公开烟花厂房结构爆源间隔20cm侧墙各区域增强系数；
图3-1为本发明中后墙反射压力的增强系数随两爆源间隔距离变化图(间隔距离变化范围为20cm-240cm)；
图3-2为本发明中后墙反射冲量的增强系数随两爆源间隔距离变化图(间隔距离变化范围为20cm-240cm)；
图4-1为本发明中侧墙反射压力的增强系数随两爆源间隔距离变化图(间隔距离变化范围为20cm-240cm)；
图4-2为本发明中侧墙反射冲量的增强系数随两爆源间隔距离变化图(间隔距离变化范围为20cm-240cm)；
图5为实施例中通过本发明的方法计算的烟花厂房结构后墙各区域的爆炸荷载数值(反射压力Pr和作用时间T0)。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做出详细说明。
本发明的一种内部双爆源烟花厂房结构爆炸荷载的确定方法，包括如下步骤：
(1)烟花厂房结构为典型的三面墙和一面屋顶的钢筋混凝土结构，三面墙分别为两面侧墙和一面后墙。将厂房各墙面进行如下划分：
对于左右两面侧墙：将左右两面侧墙等分成九个相等的区域(如图所示用罗马数字表示为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、、、Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ九个区域)。
对于后墙和屋顶：以后墙和屋顶的中轴线为对称轴将后墙和屋顶分为左右两部分区域，将左右两部分区域分别分成九个相等的区域(如图所示用罗马数字表示为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、、、Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ九个区域)。
(2)根据规范UFC 3-340-02计算出厂房内两个间隔距离为20cm-240cm的爆源同时爆炸分别作用在烟花厂房结构内部的爆炸荷载，所述的爆炸荷载包括厂房内各墙面的平均反射压力
Figure BDA0002024403210000051
和平均反射冲量/>
Figure BDA0002024403210000052
然后将两个爆源同时作用在一个墙面上的平均反射压力/>
Figure BDA0002024403210000053
相加得到该墙面的总平均反射压力，将两个爆源同时作用在一个墙面上的平均反射冲量/>
Figure BDA0002024403210000061
分别相加得到该墙面的总平均反射冲量，两爆源均位于结构中心竖轴一上一下并列排布，关于结构中心点对称；
(3)将厂房在某一爆源间隔距离下各墙面的总平均反射压力和总平均反射冲量分别乘以该间隔距离下各墙面各区域的爆炸荷载增强系数λ，得到烟花厂房结构内部双爆源在该间隔距离下同时爆炸作用下各墙面各区域调整后的爆炸荷载。
所述的爆炸荷载增强系数λ是通过数值模拟得到，具体步骤如下：
第一步，采用LS-DYNA显式动力分析软件对内部双爆源烟花厂房的爆炸进行数值模拟，建立炸药和空气模型；采用单点多物质ALE算法进行模拟，计算出内部双爆源间隔距离为20cm时烟花厂房结构各墙面的反射压力和反射冲量；
第二步，采用多点积分方法，在LS-DYNA烟花厂房结构模型的左右两面侧墙的九个区域中以及后墙和屋顶对称轴一侧的九个区域中分别均布选取25个测点，将每个区域中的25个测点的反射压力和反射冲量分别进行多点积分，求出各墙面各区域的反射压力和反射冲量，其中后墙和屋顶对称轴另一侧的九个区域的反射压力和反射冲量与后墙和屋顶对称轴一侧的九个区域反射压力和反射冲量关于对称轴对称；
第三步，将计算出的各墙面各区域反射压力Pr和反射冲量ir，分别除以参照规范(UFC 3-340-02)中计算各墙面的总平均反射压力和总平均反射冲量，得到各墙面九个区域的爆炸荷载增强系数λ，即本发明所公开的结构各墙面各区域的爆炸荷载增强系数λ，当λ＜1时，取λ＝1。
第四步，重复第一步、第二步、第三步，在重复的过程中只改变第一步中构建LS-DYNA有限元模型时两爆源的间隔距离，将两爆源的间隔距离由20cm开始递增至240cm，每次递增10cm，求出每个爆源间隔距离下的后墙中间水平排列的六个区域中对称轴一侧的三个区域(对称轴另一侧的三个区域的爆炸荷载增强系数关于对称轴对称)以及侧墙墙面中间水平排列的三个区域(即Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ区域)的爆炸荷载增强系数，绘制后墙和侧墙的增强系数λ随两爆源的间隔距离变化的关系图。
两个爆源之间的间隔距离发生变化时，后墙中间水平排列的六个区域和侧墙墙面中间水平排列的三个区域(即Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ区域)的增强系数λ会受此影响发生变化，其他区域受间隔距离变化影响小，增强系数不变。
本发明的一种内部双爆源烟花厂房结构爆炸荷载的确定方法，解决了传统方法难以应用于内部双爆源烟花厂房结构爆炸荷载确定的缺陷，具有以下优点：
1、考虑了爆炸荷载的分布不均匀性，可以准确的确定内部双爆源烟花厂房结构的爆炸荷载；
2、步骤简单，不需要使用高性能计算机，对使用人员的技术要求低，可以快速的确定内部双爆源烟花厂房结构的爆炸荷载。
实施例1
烟花厂房结构尺寸为6000mm*3000mm*3000mm，两爆源均位于结构中心轴一上一下并列排布，关于结构中心点对称，间隔距离为150cm，两爆源同时起爆。
1)参照规范UFC 3-340-02，确定烟花厂房结构所有关键参数如表1、表2。
表1烟花厂房参数值
Figure BDA0002024403210000081
表2烟花厂房关键参数值
Figure BDA0002024403210000082
其中N为反射面的个数；h为爆源至底面的距离；H为结构边墙高度；l为爆源至边墙的距离；L为结构底面长度；W为炸药重量；RA为爆源至后墙的距离；表中的ZA表示比例距离ZA＝RA/W1/3；表中的ft表示所采用的长度单位英尺，表中的lb表示所采用的重量单位磅；表中的ft/lb1/3即表示英尺/磅1/3；表2为表1中各参数的比值和比例距离ZA；
参照UFC 3-340-02中单爆源约束爆炸的确定方法，根据表1、表2中的各项关键参数确定爆源O1和爆源O2爆炸后同时作用在后墙墙面上的爆炸荷载(平均反射压力
Figure BDA0002024403210000091
和平均反射冲量/>
Figure BDA0002024403210000092
)。
爆源O1爆炸时作用在后墙墙面的爆炸荷载：
Figure BDA0002024403210000093
Figure BDA0002024403210000094
Figure BDA0002024403210000095
由于结构为对称结构，所以爆源O2爆炸时作用在后墙墙面的爆炸荷载与爆源O1相等。
2)将爆源O1和爆源O2爆炸后同时作用在后墙墙面的平均反射压力
Figure BDA0002024403210000096
和平均反射冲量/>
Figure BDA0002024403210000097
分别相加后，得到后墙墙面的总平均反射压力和总平均反射冲量，根据图2-1确定后墙墙面相应区域的增强系数λ。由于间隔距离为150cm时，后墙中间水平排列的六个区域的增强系数发生改变，该六个区域的增强系数需要通过图3-1、图3-2进行确定，其他区域的增强系数不变(按照图2-1取值)。将后墙墙面的总平均反射压力和总平均反射冲量分别乘以后墙墙面各区域的增强系数λ，得到内部双爆源烟花厂房结构后墙墙面各区域的爆炸荷载(反射压力/>
Figure BDA0002024403210000098
和反射冲量/>
Figure BDA0002024403210000099
为了更直观的反应爆炸荷载的作用情况，通过反射冲量可计算得出反射压力的作用时间T0)，如图5。
以后墙墙面Ⅴ区域的爆炸荷载计算为例：
Pr＝1.834×2×λpr＝1.834×2×1.000＝3.668MPa
ir＝1.1×2×λir＝1.1×2×1.438＝3.1636MPa·ms
Figure BDA0002024403210000101
上述对实施例的详细描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域的人员可以对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员在本发明的范畴内所作出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种内部双爆源烟花厂房结构爆炸荷载的确定方法，包括如下步骤：
(1)烟花厂房结构为典型的三面墙和一面屋顶的钢筋混凝土结构，三面墙分别为两面侧墙和一面后墙，将厂房各墙面进行如下划分：
对于左右两面侧墙：将左右两面侧墙等分成九个相等的区域；
对于后墙和屋顶：以后墙和屋顶的中轴线为对称轴将后墙和屋顶分为左右两部分区域，将左右两部分区域分别分成九个相等的区域；
(2)根据规范UFC3-340-02计算出厂房内两个间隔距离为20cm-240cm的爆源分别在不同间距下同时爆炸分别作用在烟花厂房结构内部的爆炸荷载，所述的爆炸荷载包括厂房内各墙面的平均反射压力
Figure FDA0002024403200000011
和平均反射冲量/>
Figure FDA0002024403200000012
然后将两个爆源同时作用在一个墙面上的平均反射压力/>
Figure FDA0002024403200000013
相加得到该墙面的总平均反射压力，将两个爆源同时作用在一个墙面上的平均反射冲量/>
Figure FDA0002024403200000014
分别相加得到该墙面的总平均反射冲量，两爆源均位于结构中心竖轴一上一下并列排布，关于结构中心点对称；
(3)将厂房在某一爆源间隔距离下各墙面在的总平均反射压力和总平均反射冲量分别乘以该间隔距离下各墙面各区域的爆炸荷载增强系数λ，得到烟花厂房结构内部双爆源在该间隔距离下同时爆炸作用下各墙面各区域调整后的爆炸荷载；
所述的爆炸荷载增强系数λ是通过数值模拟得到，具体步骤如下：
第一步，采用LS-DYNA显式动力分析软件对内部双爆源烟花厂房的爆炸进行数值模拟，建立炸药和空气模型；采用单点多物质ALE算法进行模拟，计算出内部双爆源间隔距离为20cm时烟花厂房结构各墙面的反射压力和反射冲量；
第二步，采用多点积分方法，在LS-DYNA烟花厂房结构模型的左右两面侧墙的九个区域中以及后墙和屋顶对称轴一侧的九个区域中分别均布选取25个测点，将每个区域中的25个测点的反射压力和反射冲量分别进行多点积分，求出各墙面各区域的反射压力和反射冲量，其中后墙和屋顶对称轴另一侧的九个区域的反射压力和反射冲量与后墙和屋顶对称轴一侧的九个区域反射压力和反射冲量关于对称轴对称；
第三步，将计算出的各墙面各区域反射压力Pr和反射冲量ir，分别除以各墙面的总平均反射压力和总平均反射冲量，得到各墙面九个区域的爆炸荷载增强系数λ，当λ＜1时，取λ＝1；
第四步，重复第一步、第二步、第三步，在重复的过程中只改变第一步中构建LS-DYNA有限元模型时两爆源的间隔距离，将两爆源的间隔距离由20cm开始递增至240cm，每次递增10cm，求出每个爆源间隔距离下的后墙中间水平排列的六个区域中对称轴一侧的三个区域以及侧墙墙面中间水平排列的三个区域的爆炸荷载增强系数，每个爆源间隔距离下的后墙中间水平排列的六个区域中对称轴另一侧的三个区域的爆炸荷载增强系数关于对称轴对称，绘制后墙和侧墙的增强系数λ随两爆源的间隔距离变化的关系图。
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