CN112036032A - 一种高层rc框架结构的缩尺模型设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了高层RC框架结构的缩尺模型设计方法，用于预测高层RC框架结构在远场爆炸毁伤效果；采用相似理论，建立在远场爆炸荷载作用下的高层RC框架结构相似模型，从而用于判断原型的毁伤效应。在远场爆炸荷载作用下高层RC框架结构的毁伤研究这类破坏性试验时，引入模型试验将会降低实验成本、易于开展、可行性高等优点。

Description

一种高层RC框架结构的缩尺模型设计方法
技术领域
本发明属于土木工程结构工程爆炸领域，特别是涉及一种高层RC框架结构的缩尺模型设计方法，用于预测高层RC框架结构在远场爆炸毁伤效果。
背景技术
随着人类社会的不断发展，对高层建筑的要求朝着体积更大、更高、造型更新的方向发展，从而各种新型的高层建筑结构体系孕育而生。而近几年来有大量的爆炸事故发生且对高层建筑造成了严重的毁伤，如：2020年6月13日浙江温岭油罐车爆炸事件、2015年天津滨海新区爆炸事故以及江苏常州某化工厂发生爆炸，爆炸冲击波对周围高层建筑造成了严重的毁伤。全国各地区每年也都有类似的意外爆炸事故，一旦发生这些意外爆炸事故，对高层建筑造成了很大的影响。学者们纷纷展开了对结构在爆炸荷载作用的损伤机理的研究，但是迫于结构原型尺寸巨大，大多学者展开了结构构件和单、多层结构在近场爆炸作用下的研究，对高层结构在远场爆炸下的毁伤影响的研究相对甚少。本专利讲述了一种关于高层RC框架结构在远场爆炸荷载作用下的缩尺模型，用于预测高层RC框架结构原型的毁伤机理。
高层RC框架结构原型具有尺寸大、造价高、耗时长等缺点，难以开展原尺寸的试验研究，此时建立高层RC(钢筋混凝土Reinforce Concrete)框架结构的缩尺模型便显得尤为重要。
发明内容
本发明提供了一种高层RC框架结构的缩尺模型设计方法，用于预测高层RC框架结构在远场爆炸毁伤效果。本发明采用相似理论，建立在远场爆炸荷载作用下的高层RC框架结构相似模型，从而用于判断原型的毁伤效应。
该缩尺模型的设计方法具有包括以下步骤：
步骤1，在对高层RC框架结构原型建立在远场爆炸荷载作用下的缩尺模型之前，分析远场爆炸作用机理，简化高层RC框架结构：
炸药在空气中爆炸能使周围目标产生不同程度的破坏和损伤。空中爆炸的破坏作用不仅与当量有关，还与目标与爆心距有关。当目标离爆心的距离小于(10～15)r0(r0为装药半径)时，目标受到爆轰产物和冲击波的同时作用；当目标离爆心的距离超过(10～15)r0时，目标只受到空气冲击波的破坏作用。因此在分析爆炸的破坏作用时，应考虑到距离因素。
考虑在远场大当量爆炸作用下高层RC框架结构的毁伤效应属于远距离爆炸，主要考虑冲击波对结构的影响。对于在远场爆炸作用下，结构构件迎爆面处将会受到横向最大的爆炸冲击波，迎爆面的梁柱及填充墙将会吸收最大一部分冲击波载荷，只有在迎爆面破坏后，爆炸冲击波才会继续向结构内部传播，故对于结构内部的构件进行简化。
步骤2，分析影响爆炸荷载下高层RC框架结构毁伤的因素：
将冲击波作用于结构的峰值压力pb和结构的应力响应σi作用表征高层RC框架结构在爆炸冲击波载荷下的毁伤程度的重要参量，选取结构迎爆面中心点作为毁伤分析特征点，若模型和原型的冲击波压力响应曲线和结构应力响应曲线相似程度越高，则可表明模型设计相似程度越高。
影响高层RC框架结构在爆炸冲击波载荷下的毁伤程度的重要物理量还有：
炸药参数：超压pa、正压作用时间ta、冲量ia、炸药质量Q、炸药密度ρ、单位质量炸药释放的化学能e、爆炸产物膨胀系数γe、爆心距R、达到时间ti；
高层RC框架结构参数：几何尺寸Lc、混凝土密度ρc、混凝土泊松比υ、混凝土弹性模量Ec、混凝土强度σc。
步骤3，通过量纲分析建立在远场爆炸荷载作用下高层RC框架结构的毁伤相似准则：
由于其中γe、υ为无量纲量，符合相似定律的无量纲原则，可以略去；当缩比模型的混凝土配合比和原型一致时,则混凝土的弹性模量ρc、Ec、σc不是独立量,可以略去。故根据相似第二定理得：
Figure BDA0002657625780000021
而冲击波峰值压力pb与影响因素的函数关系：
pb＝f(R,Lc,ta,ti,pa,Q,ρ,e,ia)，
结构的应力响应σi与影响因素的函数关系：
σi＝f(R,Lc,ta,ti,pa,Q,ρ,e,ia)，
无量纲化过程：选择超压pa、冲量ia、正压作用时间ta作为参量
根据相似第二定理，取Q、ρ和e作为基本量，则其余物理量的量纲式可由这3个基本量表示出来：[R]＝[Q]a.[ρ]b.[e]c，
根据量纲和谐原理，等号两边的量纲应一致：
[L1M0T0]＝[L0M1T0]a.[L-3M1T0]b.[L2M0T-2]c，
即：[L1]＝[L0]a.[L-3]b.[L2]c，
[M0]＝[M1]a.[M1]b.[M0]c，
[T0]＝[T0]a.[T0]b.[T-2]c，
由此可得：
Figure BDA0002657625780000031
解得：
Figure BDA0002657625780000032
故：
Figure BDA0002657625780000033
从而可知R对应的无量纲量是：
Figure BDA0002657625780000034
由此类推，则冲击波峰值压力pb与影响因素的函数关系和结构的应力响应σi与影响因素的函数关系可转化为以下的无量纲形式：
Figure BDA0002657625780000035
Figure BDA0002657625780000041
从而得出其相似准则为：
Figure BDA0002657625780000042
由相似理论的复印比例可得：
Figure BDA0002657625780000043
式中：下标P表示原型，下标m表示模型，λ表示为缩比系数
步骤4，通过相似准则可以得出模型的具体参数，建立爆炸荷载作用下高层RC框架结构的毁伤相似模型。
相对于现有技术，本发明具有以下优点：在远场爆炸荷载作用下高层RC框架结构的毁伤研究这类破坏性试验时，引入模型试验将会降低实验成本、易于开展、可行性高等优点。
附图说明
图1远场爆炸对框架结构的作用效果图
图2高层RC框架结构原型示意图
图3高层RC框架结构模型示意图
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。
该缩尺模型的设计方法具有包括以下步骤：
步骤1，在对高层RC框架结构原型建立在远场爆炸荷载作用下的缩尺模型之前，分析远场爆炸作用机理，简化高层RC框架结构：
如图1中，炸药在空气中爆炸能使周围目标产生不同程度的破坏和损伤，空中爆炸的破坏作用不仅与当量有关，还与目标与爆心距有关。当目标离爆心的距离小于(10～15)r0(r0为装药半径)时，目标受到爆轰产物和冲击波的同时作用；当目标离爆心的距离超过(10～15)r0时，目标只受到空气冲击波的破坏作用。因此在分析爆炸的破坏作用时，应考虑到距离因素。
考虑在远场大当量爆炸作用下高层RC框架结构的毁伤效应属于远距离爆炸，主要考虑冲击波对结构的影响。对于在远场爆炸作用下，结构构件迎爆面处将会受到横向最大的爆炸冲击波，迎爆面的梁柱及填充墙将会吸收最大一部分冲击波载荷，只有在迎爆面破坏后，爆炸冲击波才会继续向结构内部传播，故对于结构内部的构件进行简化。
步骤2，分析影响爆炸荷载下高层RC框架结构毁伤的因素：
将冲击波作用于结构的峰值压力pb和结构的应力响应σi作用表征高层RC框架结构在爆炸冲击波载荷下的毁伤程度的重要参量，选取结构迎爆面中心点作为毁伤分析特征点，若模型和原型的冲击波压力响应曲线和结构应力响应曲线相似程度越高，则可表明模型设计相似程度越高。
影响高层RC框架结构在爆炸冲击波载荷下的毁伤程度的重要物理量还有：
炸药参数：超压pa、正压作用时间ta、冲量ia、炸药质量Q、炸药密度ρ、单位质量炸药释放的化学能e、爆炸产物膨胀系数γe、爆心距R、达到时间ti；
高层RC框架结构参数：几何尺寸Lc、混凝土密度ρc、混凝土泊松比υ、混凝土弹性模量Ec、混凝土强度σc。
步骤3，通过量纲分析建立在远场爆炸荷载作用下高层RC框架结构的毁伤相似准则：
由于其中γe、υ为无量纲量，符合相似定律的无量纲原则，可以略去；当缩比模型的混凝土配合比和原型一致时,则混凝土的弹性模量ρc、Ec、σc不是独立量,可以略去。故根据相似第二定理得：
Figure BDA0002657625780000051
而冲击波峰值压力pb与影响因素的函数关系：
pb＝f(R,Lc,ta,ti,pa,Q,ρ,e,ia)，
结构的应力响应σi与影响因素的函数关系：
σi＝f(R,Lc,ta,ti,pa,Q,ρ,e,ia)，
无量纲化过程：选择超压pa、冲量ia、正压作用时间ta作为参量，
根据相似第二定理，取Q、ρ和e作为基本量，则其余物理量的量纲式可由这3个基本量表示出来：[R]＝[Q]a.[ρ]b.[e]c，
根据量纲和谐原理，等号两边的量纲应一致：
[L1M0T0]＝[L0M1T0]a.[L-3M1T0]b.[L2M0T-2]c，
即：[L1]＝[L0]a.[L-3]b.[L2]c，
[M0]＝[M1]a.[M1]b.[M0]c，
[T0]＝[T0]a.[T0]b.[T-2]c，
由此可得：
Figure BDA0002657625780000061
解得：
Figure BDA0002657625780000062
故：
Figure BDA0002657625780000063
从而可知R对应的无量纲量是：
Figure BDA0002657625780000064
由此类推，则冲击波峰值压力pb与影响因素的函数关系和结构的应力响应σi与影响因素的函数关系可转化为以下的无量纲形式：
Figure BDA0002657625780000065
Figure BDA0002657625780000066
从而得出其相似准则为：
Figure BDA0002657625780000071
由相似理论的复印比例可得：
Figure BDA0002657625780000072
式中：下标P表示原型，下标m表示模型，λ表示为缩比系数
步骤4，通过相似准则可以得出模型的具体参数，建立爆炸荷载作用下高层RC框架结构的毁伤相似模型。
举例说明：取原型高层RC框架结构的每层框架结构具体参数如表1。
表1原型各具体参数
Figure BDA0002657625780000073
根据步骤3的相似准则，可知对于结构原型和模型的爆心距的相似关系为
Figure BDA0002657625780000074
而
Figure BDA0002657625780000075
则
Figure BDA0002657625780000076
同理可得结构尺寸关系为：
Figure BDA0002657625780000077
TNT当量关系为：
Figure BDA0002657625780000078
则当
Figure BDA0002657625780000079
的模型结构的具体参数如下：
表2
Figure BDA00026576257800000710
模型各具体参数
Figure BDA00026576257800000711
由上述参数转换可以得到：
Figure BDA00026576257800000712
且
Figure BDA00026576257800000713
即
Figure BDA00026576257800000714
模型结构的时间响应特征刚好为原型的1/5倍。
并由相似准则可知：
Figure BDA0002657625780000081
即模型和原型结构上的应力峰值和压力峰值保持一致，此时便建立了在结构在爆炸冲击波载荷下的毁伤相似模型。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换及本发明的各个技术方案显而易见的改进，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种高层RC框架结构的缩尺模型设计方法，用于预测高层RC框架结构在远场爆炸毁伤效果，其特征在于：该缩尺模型的设计方法具有包括以下步骤：
步骤1：确定爆心距,选定高层RC框架结构距离炸药爆心的距离应大于(10～15)r0，r0为装药半径，此时高层RC框架结构只受到空气冲击波的破坏作用；
步骤2：确定影响爆炸荷载下高层RC框架结构毁伤的因素，冲击波作用于高层RC框架结构的峰值压力pb和高层RC框架结构的应力响应σi是表征高层RC框架结构在爆炸冲击波载荷下的毁伤程度的重要参量；
步骤3，通过量纲分析建立在远场爆炸荷载作用下高层RC框架结构的毁伤相似准则；
步骤4，通过所述相似准则得出所述缩尺模型的具体参数，建立爆炸荷载作用下高层RC框架结构的毁伤的相似模型。
2.根据权利要求1所述的缩尺模型设计方法，其特征在于：与所述峰值压力pb相关的参数为：超压pa、正压作用时间ta、冲量ia、炸药质量Q、炸药密度ρ、单位质量炸药释放的化学能e、爆炸产物膨胀系数γe、爆心距R、达到时间ti；与所述应力响应σi相关的参数为：几何尺寸Lc、混凝土密度ρc、混凝土泊松比υ、混凝土弹性模量Ec、混凝土强度σc。
3.根据权利要求2所述的缩尺模型设计方法，其特征在于：所述冲击波的所述峰值压力pb与影响因素的函数关系：pb＝f(R,Lc,ta,ti,pa,Q,ρ,e,ia)，所述应力响应σi与影响因素的函数关系：σi＝f(R,Lc,ta,ti,pa,Q,ρ,e,ia)，
所述量纲分析包括以下步骤：取Q、ρ和e作为基本量，R的量纲式由这3个基本量表示出来，得出[R]＝[Q]a.[ρ]b.[e]c，根据量纲和谐原理，等号两边的量纲应一致：
[L1M0T0]＝[L0M1T0]a.[L-3M1T0]b.[L2M0T-2]c，
得出：
Figure FDA0002657625770000021
即：
Figure FDA0002657625770000022
R对应的无量纲量是：
Figure FDA0002657625770000023
4.根据权利要求3所述的缩尺模型设计方法，其特征在于：所述量纲分析进一步包括以下步骤：将冲击波峰值压力pb与影响因素的函数关系和结构的应力响应σi与影响因素的函数关系转化为以下的无量纲形式：
Figure FDA0002657625770000024
Figure FDA0002657625770000025
从而得出所述相似准则为：
Figure FDA0002657625770000026
由相似理论的复印比例可得：
Figure FDA0002657625770000027
式中：下标P表示原型，下标m表示模型，λ表示为缩比系数。
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