远场爆炸冲击波作用下高层建筑上部结构动态响应试验研究

doi:10.12382/bgxb.2023.0960

摘要/Abstract

摘要：

为研究高层建筑上部结构在远场爆炸冲击波整体加载作用下的动态响应规律,设计并制作1:30缩比的整体高层建筑模型,完成野外化爆试验,获取建筑模型迎爆面冲击波压力曲线和不同高度位置处的位移曲线,结合数值模拟的方法判断试验加载状态,并对建筑模型的破坏形态和实测数据进行分析。研究结果表明:在远场爆炸冲击波作用下,高层建筑框架柱破坏模式以受剪破坏为主,框架梁构件以弯曲破坏为主,同时不同构件间的相互作用对破坏模式也有重要的影响;爆心与建筑物夹角θ≤25°时,迎爆面各处冲击波压力参数相同;当建筑结构整体仍处于弹性变形阶段时,各高度位置前期水平位移变化曲线近似重合,运动周期保持一致,后期由于高度不同,位移峰值有一定差别,与高度近似呈线性增长的关系;建筑模型的变形与破坏主要取决于比冲量的大小,冲击波峰值影响较小。

关键词: 高层建筑, 远场爆炸, 爆炸冲击波, 化爆试验, 位移响应

Abstract:

In order to study the dynamic response of the upper structure of high-rise building under the far-field explosion shock waveloading, 1∶30 scaled models of high-rise building are designed for the field explosion experiment. The shock wave pressure curves and the displacement parameters at different heights of the modelsare obtained through experiment, and the experimental loading state is judged by the numerical simulation method. The damage patterns of the models and the measured data are analyzed. The results show that the failure mode of high-rise building frame column is mainly subjected to shear failureand the frame beam is mainly subjected to bending failureunder the effect of far-field explosion shock wave. In addition, the interaction between different components has an important influence on the failure mode. When the angle between the explosion center and the building is less than or equal to 25°, the pressure parameters of shock wave are the same all over the surface.When the whole structure is still in the elastic deformation stage, the change curves of horizontal displacement in the early stage of each height position approximately coincide with each other, and the motion periodsare consistent.The peak values of the displacement are different in the later stage due to the different heights, which are linear with the heights. The deformation and damage of the building mainly depend on the specific impulse, and are little affected by the peak shock wave pressure.

Key words: high-rise building, far-field explosion, explosive shock wave, chemical explosion test, displacement response

中图分类号:

TP274

殷文骏, 程帅, 刘文祥, 廖真, 马龙, 赵斌, 张德志. 远场爆炸冲击波作用下高层建筑上部结构动态响应试验研究[J]. 兵工学报, 2024, 45(11): 4039-4051.

YIN Wenjun, CHENG Shuai, LIU Wenxiang, LIAO Zhen, MA Long, ZHAO Bin, ZHANG Dezhi. Experimental Study on Dynamic Response of Upper Structure of High-rise Building under Far-field Explosion Shock Wave Loading[J]. Acta Armamentarii, 2024, 45(11): 4039-4051.

图/表 21

参考文献 22

[1]	《炸药理论》编写组. 炸药理论[M]. 北京: 国防工业出版社,1982.
	Compilation Group of “Theory of Explosives”. Theory of explosives[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 1982. (in Chinese)
[2]	罗兴柏, 张玉令, 丁玉奎. 爆炸力学理论教程[M]. 北京: 国防工业出版社, 2016.
	LUO X B, ZHANG Y N, DING Y K. Theory course of explosion mechanics[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 2016. (in Chinese)
[3]	LOW H Y, HAO H. Reliability analysis of direct shear and flexural failure modes of RC slabs under explosive loading[J]. Engineering Structures, 2002, 24(2):189-198.
[4]	LUCCIONI B M, AMBROSINI R D, DANESI R F. Analysis of building collapse under blast loads[J]. Engineering Structures, 2004, 26:63-71.
[5]	穆朝民, 任辉启, 李永池, 等. 爆炸冲击波作用于墙体及对墙体绕射的实验研究[J]. 实验力学, 2008, 23(2):169-174.
	MU Z M, REN H Q, LI Y C, et al. Experimental study of blast wave reflection and diffraction on a shelter wall[J]. Journal of Experimental Mechanics, 2008, 23(2):169-174. (in Chinese)
[6]	KRAUTHAMMER T, OTANI R K. Mesh, gravity and load effects on finite element simulations of blast loaded reinforced concrete structures[J]. Computers & Structures, 1997, 63(6):1113-1120.
[7]	MALVAR L J, CRAWFORD J E. Dynamic increase factors for steel reinforcing bars[R]. Port Hueneme, CA, US: Navay Facilities Engineering Service Center, 1998.
[8]	李月强, 衣娜, 席丰. 钢柱抗爆响应分析单自由度模型适用性评估[J]. 爆炸与冲击, 2017, 37(5):957-963.
	LI Y Q, YI N, XI F. Assessment on single degree of freedom model in steel column analysis of anti-detonation[J]. Explosion and Shock Waves, 2017, 37(5):957-963. (in Chinese)
[9]	孙松, 王明洋, 邱艳宇, 等. 气爆荷载下弯曲构件动力响应数值计算[J]. 北京理工大学学报, 2019. 39(8):801-807.
	SUN S, WANG M Y, QIU Y Y, et al. Numerical calculation of dynamic response for bending members under gas explosion[J]. Transactions of Beijing Institute of Technology, 2019, 39(8):801-807. (in Chinese)
[10]	师燕超, 张浩, 李忠献. 钢筋混凝土梁式构件抗爆分析的改进等效单自由度方法[J]. 建筑结构学报, 2019, 40(10): 8-16.
	SHI Y C, ZHANG H, LI Z X. Improved equivalent single degree of freedom method for blast analysis of RC beams[J]. Journal of Building Structures, 2019. 40(10):8-16. (in Chinese) doi: 10.14006/j.jzjgxb.2019.0096
[11]	阎石, 张亮, 王丹. 钢筋混凝土板在爆炸荷载作用下的破坏模式分析[J]. 沈阳建筑大学学报(自然科学版), 2005, 21(3):177-180.
	YAN S, ZHANG L, WANG D. Failure mode analysis for RC slab under explosive loads[J]. Journal of Shenyang Architectural and Civil Engineering Institute, 2005, 21(3):177-180. (in Chinese)
[12]	汪维, 刘瑞朝, 吴飚, 等. 爆炸荷载作用下钢筋混凝土梁毁伤判据研究[J]. 兵工学报, 2016, 37(8):1421-1429. doi: 10.3969/j.issn.1000-1093.2016.08.012
	WANG W, LIU R C, WU B, et al. Damage criteria of reinforced concrete beams under blast loading[J]. Acta Armamentarii, 2016, 37(8):1421-1429. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1000-1093.2016.08.012
[13]	周游, 纪冲, 王雷元, 等. 重复爆炸载荷作用下薄壁方管动力响应研究[J]. 兵工学报, 2019, 40(9):1871-1880. doi: 10.3969/j.issn.1000-1093.2019.09.012
	ZHOU Y, JI C, WANG L Y, et al. Research on the dynamic response of thin-walled square tube under repeated blast loads[J]. Acta Armamentarii, 2019, 40(9):1871-1880. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1000-1093.2019.09.012
[14]	HASSAN A, FREDERIC P D, RUSSELL P, et al. Behavior of ultra-high performance fiber reinforced concrete columnsunder blast loading[J]. International Journal of Impact Engineering, 2015, 80:185-202.
[15]	CHEN L, HU Y, REN H Q, et al. Performances of theRC column under close-in explosion induced by thedouble-end-initiation explosive cylinder[J]. InternationalJournal of Impact Engineering, 2019, 132:103326.
[16]	CHEE K H, KRAUTHAMMER T, ASTARLIOGLUS. Shallow buried RC structures behavior under airblastin the time and P-I domains[J]. Engineering Structures, 2020, 203: 109885.
[17]	曾繁, 肖桂仲, 冯晓伟, 等. 砌体结构长脉宽爆炸荷载损伤等级评估方法[J]. 爆炸与冲击, 2021, 41(10):127-137.
	ZENG F, XIAO G Z, FENG X W, et al. A damageassessment method for masonry structures subjected tolong duration blast loading[J]. Explosion and ShockWaves, 2021, 41(10): 127-137. (in Chinese)
[18]	BUCKINGHAM E. On physically similar systems: illustrations of the use of dimensional analysis[J]. Physical Review, 1914, 4(4):345-376.
[19]	周颖, 吕西林. 建筑结构振动台模型试验方法与技术[M]. 北京: 科学出版社, 2016.
	ZHOU Y, LÜ X L. Building structures shaking table test methods and techniques[M]. Beijing: Science Press, 2016. (in Chinese)
[20]	胡立双, 张清爽, 胡双启. 炸药与火工品安全[M]. 北京: 化学工业出版社, 2021.
	HU L S, ZHANG Q S, HU S Q. Safety of explosives and fireworks[M]. Beijing: Chemical Industry Press, 2021. (in Chinese)
[21]	黄正祥, 祖旭东. 终点效应[M]. 北京: 科学出版社, 2014.
	HUANG Z X, ZU X D. Terminal effects[M]. Beijing: Science Press, 2014. (in Chinese)
[22]	周旭. 导弹毁伤效能试验与评估[M]. 北京: 国防工业出版社, 2014.
	ZHOU X. Missile damage effectiveness test and evaluation[M]. Beijing: National Defense Industry, 2014. (in Chinese)

物理性能	物理参数	量纲	相似系数	试验选用相似系数
几何性能	长度	L	S_L	1/30
材料性能	弹性模量	ML^-1T^-2	S_σ	0.25
	质量密度	ML^-3	S_ρ	0.75
	应变	1	1	1
动力响应	周期	T	S_T	0.0577
	加速度	LT^-2	S_a	10

物理性能	物理参数	量纲	相似系数	试验选用相似系数
几何性能	长度	L	S_L	1/30
材料性能	弹性模量	ML^-1T^-2	S_σ	0.25
	质量密度	ML^-3	S_ρ	0.75
	应变	1	1	1
动力响应	周期	T	S_T	0.0577
	加速度	LT^-2	S_a	10

区域编号	方向	梁	柱	板	剪力墙
Ⅰ	迎爆面	少部分梁构件受弯破坏,混凝土开裂或脱落,破坏构件主要集中于中梁;大部分仍保持完好;毁伤数占迎爆面全部梁构件的比例约为40%	底部(1~3层)中柱构件在剪力作用下破坏严重,其余部分基本保持完好;毁伤数量占迎爆面全部柱构件的比例约为17%	部分楼板存在扩张型裂纹,但除第9层外大部分保持完整	底部剪力墙体完全破坏或脱落,但随着高度的增加,毁伤程度降低;毁伤数量占迎爆面全部剪力墙构件的比例约为100%
	背爆面	基本保持完整	基本保持完整	基本保持完整	测点处部分墙体破坏严重
	侧面	基本保持完好,存在少量裂纹	基本保持完好	基本保持完好	底部部分混凝土脱落
Ⅱ	迎爆面	整体破坏较为严重,部分构件混凝土完全脱落,产生贯穿性裂纹;毁伤数量占迎爆面全部梁构件的比例约为78%	15~17层柱构件破坏严重,部分构件混凝土完全脱落,钢筋裸露;毁伤数量占迎爆面全部柱构件的比例约为17%	楼板破坏程度较区域Ⅰ更为严重,中间部分存在明显的隆起现象	部分混凝土墙体脱落,较区域Ⅰ毁伤程度减轻;毁伤数量占迎爆面全部剪力墙构件的比例约为95%
	背爆面	基本保持完整	基本保持完整	基本保持完整	测点处部分墙体破坏严重
	侧面	靠近迎爆面一侧的侧梁破坏较为严重,部分混凝土脱落	基本保持完好	基本保持完好	部分靠近迎爆面一侧的混凝土墙体脱落
Ⅲ	迎爆面	基本保持完整,部分梁构件存在横向裂纹;毁伤数量占迎爆面全部梁构件的比例约为56%	毁伤程度较为严重,较多构件存在剪切破坏,部分混凝土脱落,少量柱构件完全摧毁甚至消失;毁伤数量占迎爆面全部柱构件的比例约为43%	顶部楼板完全隆起,与梁、柱构件脱离,其余部分基本保持完整;顶部结构已完全丧失使用性和安全性要求	剪力墙体基本保持完好,少部分区域存在扩张性裂纹;毁伤数量占迎爆面全部剪力墙构件的比例约为67%
	背爆面	基本保持完整	基本保持完整	基本保持完整	基本保持完整
	侧面	基本保持完好	少量柱构件存在部分混凝土脱落,基本保持完好	顶部靠近迎爆面一侧存在轻微隆起,基本保持完好	基本保持完好

区域编号	方向	梁	柱	板	剪力墙
Ⅰ	迎爆面	少部分梁构件受弯破坏,混凝土开裂或脱落,破坏构件主要集中于中梁;大部分仍保持完好;毁伤数占迎爆面全部梁构件的比例约为40%	底部(1~3层)中柱构件在剪力作用下破坏严重,其余部分基本保持完好;毁伤数量占迎爆面全部柱构件的比例约为17%	部分楼板存在扩张型裂纹,但除第9层外大部分保持完整	底部剪力墙体完全破坏或脱落,但随着高度的增加,毁伤程度降低;毁伤数量占迎爆面全部剪力墙构件的比例约为100%
	背爆面	基本保持完整	基本保持完整	基本保持完整	测点处部分墙体破坏严重
	侧面	基本保持完好,存在少量裂纹	基本保持完好	基本保持完好	底部部分混凝土脱落
Ⅱ	迎爆面	整体破坏较为严重,部分构件混凝土完全脱落,产生贯穿性裂纹;毁伤数量占迎爆面全部梁构件的比例约为78%	15~17层柱构件破坏严重,部分构件混凝土完全脱落,钢筋裸露;毁伤数量占迎爆面全部柱构件的比例约为17%	楼板破坏程度较区域Ⅰ更为严重,中间部分存在明显的隆起现象	部分混凝土墙体脱落,较区域Ⅰ毁伤程度减轻;毁伤数量占迎爆面全部剪力墙构件的比例约为95%
	背爆面	基本保持完整	基本保持完整	基本保持完整	测点处部分墙体破坏严重
	侧面	靠近迎爆面一侧的侧梁破坏较为严重,部分混凝土脱落	基本保持完好	基本保持完好	部分靠近迎爆面一侧的混凝土墙体脱落
Ⅲ	迎爆面	基本保持完整,部分梁构件存在横向裂纹;毁伤数量占迎爆面全部梁构件的比例约为56%	毁伤程度较为严重,较多构件存在剪切破坏,部分混凝土脱落,少量柱构件完全摧毁甚至消失;毁伤数量占迎爆面全部柱构件的比例约为43%	顶部楼板完全隆起,与梁、柱构件脱离,其余部分基本保持完整;顶部结构已完全丧失使用性和安全性要求	剪力墙体基本保持完好,少部分区域存在扩张性裂纹;毁伤数量占迎爆面全部剪力墙构件的比例约为67%
	背爆面	基本保持完整	基本保持完整	基本保持完整	基本保持完整
	侧面	基本保持完好	少量柱构件存在部分混凝土脱落,基本保持完好	顶部靠近迎爆面一侧存在轻微隆起,基本保持完好	基本保持完好

参数	测点编号
参数	D₁	D₂	D₃	D₄	D₅
坐标/cm	141120	13168	138225	130170	5122
位移峰值/cm	0.41	0.58	0.75	0.57	0.46
峰值到时/ms	26.2	28.6	35.7	30.9	26.9