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在爆炸荷载作用下建筑物屋顶梁的响应：分析处理
【摘要】建筑结构可能遇到的横向载荷是由爆炸造成的。建筑结构对爆炸载荷的响应分析传统上是在逐个构件的基础上进行的。爆炸载荷随时间的大小和变化取决于构件在建筑物中的位置。这种负载的性质对于建筑物的前面，侧面，屋顶和后方是不同的。特别是对于屋顶和侧面构件的负载，其在垂直于冲击前锋的方向上延展，以复杂的方式在空间和时间上均有变化。在当前的实践中，这样的负载由等效负载表示，其在空间上是均匀的，随时间变化而变化。然后，屋顶或侧面的构件以及作用在其上的负载转换为单自由度系统，其分析提供了所需的响应参数，如偏转和应力。在本文中显示，目前的方法提供了准确性可疑的差异较大的结果。本文给出更好的表示负载变化的方法以及提出了更准确的分析程序。这一方法的执行是通过以此为目的开发的计算机程序进行的，并且证明了整个过程与基于单一自由度的现有技术一样简单。
【关键词】爆炸载荷；房屋结构；屋顶梁；等效均匀载荷；推进波；动态分析
1. 引言
建筑结构中抵抗爆炸荷载的屋顶的结构要素可分为两类。如图所示，第一组是由在平行于爆炸激波前沿的方向延展的光束组成的。对于这些构件的爆炸超压可以被假定为横跨跨度均匀，这是由于在横梁上从爆炸中心到不同点的距离没有明显不同。在分析建筑物正面的石柱时，假定在此处爆炸荷载沿构件长度均匀分布，对于这些屋顶梁的分析分析方法一致。另一组由垂直于爆炸冲击锋的方向的光束组成。随着这些光束，爆炸压力和载荷可能沿跨度显著变化。本文解决了分析垂直于冲击波前锋的横梁的难题。在其余论文部分，这种类型的构件是指当屋顶梁提到的时候。
控制爆炸波传播的理论与屋顶跨度已经在几个不同的参考文献中被讨论过。[1-3]。
当爆炸的冲击波到达建筑物的前方时，冲击波从表面被反射。反射的超压在切除时间内衰减到停滞压力。之后，冲击波在结构周围衍射，对屋顶以及侧墙施加压力。对于一个屋顶平面，冲击波反射不发生，压力瞬间上升到入射超压。屋顶上的净压力是入射超压和动态风压的组合。后者也称为拖曳压力，是随着冲击波传播而由气流引起的，并且
在屋顶构件的情况下该值为负[1,2]。
随着冲击波沿屋顶跨度传播，入射压力峰值衰减而波长和正相位持续增加。如图1所示， 很明显，沿着梁的长度的压力分布随着空间和时间而变化。而且，在任何特定的时间，只有一部分屋顶可以被装载，这取决于波束的长度，冲击前沿的位置和行波的波长。
表面上任何点的总压力可以从等式（1）确定。
(1)
式中是侧向（入射）压力，是动态压力，是阻力系数，数据见表1 [2]。
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表1 屋顶梁的阻力系数[2]。 |
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动态压力峰值 |
阻力系数 |
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0—170 |
-0.40 |
|
170—350 |
-0.30 |
|
350—1000 |
-0.20 |
如前所述，精确计算作用在屋顶上的爆炸力是复杂的，因为鼓风压力在空间和时间上都有变化。为了开发一个设计和分析房屋建筑物受到爆炸的简单方法，有人认为爆炸压力在跨度上是空间均匀的，但是随时间变化。
关于均匀载荷的大小及其随时间的变化如何通过不同来源定义存在争议。UFC 3-340-02 [2]使用屋顶尖角（图2中的“f”）的压力值，和以及均匀载荷在确定压力最大值时的等效系数 ，如公式（2）。
（2）
系数取决于到达点f的瞬间冲击波长度与屋顶的跨度长度L的比例。动态压力与修正超压峰值有关。表面上均匀压力上升到其最大值所需的时间以及负载的持续时间表示为爆炸波长对于梁跨度比的函数。所有参数均从图表UFC 3-340-02中获取。P随时间的变化如图3（B）所示。
在另一本手册TM 5-855 [4]中，类似于等式（2）的表示用于确定最大压力，但是不是用前点压力和波长，而是使用与后点（图2和图3（A）中的“b”）对应的参数，如式（3）。
（3）
均匀压力P的时间历程如图3（C）所示，其中d是沿跨度的一个点，使得当冲击前沿到达这一点时，它在横梁上导致最大的偏转和压力（见图3（A））。点d的位置与波长对屋顶跨度有关，可以从经验图确定，TM5-855中给出，该图表也可用于其他参数。
ASCE提出的另一种设计方法[3]表明爆炸载荷大小和时间变化量与在UFC 3-340-02中给出的相同。
在图3所示的时间历程中，和分别是冲击波到达f点和b点的时间。参数
，和是点b，d和f处的冲击前沿速度，而和是从b点和f点的参数计算的冲击波正相位的持续时间。
UFC 3-340-02和TM5-855给出的图表用于确定等效负载系数在图4中给出比较结果。应该要注意的是计算冲击波长的参考点在这两种方法中是不同的，如前几段所述。
UFC 3-340-02和TM 5-585中给出的方法多年来一直用于防护设计和分析建筑物；然而，有几项研究使用移动鼓风载荷代替等效的均匀分布。近年来认识到高性能计算的可用性，一些研究[5-7] 使用基于流体力学理论（CFD）的综合模型，估计出建筑结构更准确的反应。在所有参考研究中， 从CFD获得的载荷是用于与有限元素分析方法（FEM）相关联。
一项相对较新的研究已经尝试通过数值模拟和实验测试手段，验证屋顶系统的等效爆炸装载的有效性 [8]。在研究中，屋顶梁由横梁元素建模，并通过FEM在ANSYS软件包中进行分析。爆炸属性通过使用CONWEP [4]软件获得，负载为作为代码指定的等效均匀应用于梁
载荷和动态载荷。在简单的支持条件下，横梁的峰值偏差导出了两中负载并与现场测试结果进行比较。
将从移动爆炸载荷和梁的等效均匀载荷中得到的数值结果与一些重要的观察显示现场测试进行比较。首先，在运动载荷模拟中的横梁的响应，除了第一个高峰之外都与实验结果匹配。第一个之后峰值，分析偏差高于试验，因为在模拟中忽略了阻尼的影响。其次，等效均匀载荷法无法预测最大偏差；在某些情况下，它给出了比运动载荷产生的价值高50%的最终的价值。
本研究的一个重要目标是开发屋顶梁的爆破负荷分析方法，同时保留简单的等效加载方法，将提供一个更准确可靠的回应估计。考虑到这里研究的问题的性质，一个分析传播冲击波的屋顶梁的更准确的方法是使用有限元模型，将横梁离散成多个子元素，并施加由其产生的爆炸载荷行驶冲击波。这个更精确的方法是用作测量前面段落中描述的简化方法的准确性的度量。
本研究的另一个目的是基于等效均匀载荷的方法，评估其可靠性。为了实现这一点，，基于UFC 3-340-02和TM 5-855种方法，受到从这里提到的方法中获得的推进波屋顶梁的单跨，简支钢的响应与与单一和多自由度（SDOF和MDOF）模型的反应进行比较。比较了一些选择的响应案例和爆炸情景。分析结果表明这两种替代等效负载方法不仅可以产生非常不同的结果，他们也提供了偶尔被高估的反应价值。
以确保基于行波负载的分析保有等效负载方法的简单性，一种新的计算机代码作为本研究的一部分被开发。可以注意到使用等效负载方法通过使用手册中的图表或者使用计算机代码CONWEP [4]来确定爆破参数。这是根据使用手册中的图表或专用计算机程序的等效SDOF分析。
从确定爆破负荷参数到行波分析，计算机代码作为本研究的一部分开发的执行整个过程。用户只需要提供基本数据，例如电荷的强度，与屋顶边缘的距离以及屋顶梁的几何和强度性质。该过程避免了与图表读取相关联的不确定性，执行简单，并产生可靠性更高的结果。
2. 反应分析
在过去的研究[8]中，已经显示出消极的冲击波的相位可能会被忽略，特别是在确定第一和最大的偏转峰时。因此，在目前研究只考虑爆炸的正相。此外，引言中提出的背景是显而易见的，根据当前的方法，问题中最重要的变量是爆炸波长和屋顶跨度。因此，爆炸波长与跨越长度的比例范围应当考虑在内。所选的爆炸情景出现在表2。
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表2 选定爆炸场景的定义 |
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参数 |
冲击波1 |
冲击波2 |
冲击波3 |
冲击波4 |
冲击波5 |
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W（kg） |
装入量 |
100 |
250 |
250 |
500 |
2000 |
|
R(m) |
范围 |
25 |
25 |
10 |
10 |
15 |
|
Z(m/kg1/3) |
比例距离 |
5.39 |
3.97 |
1.59 |
1.26 |
1.19 |
表2中所示的所选爆炸情况都属于远场爆炸类别（z ge;1.18 m / kg1/ 3），因为近场爆炸的选择将增加复杂性问题。所选择的场景还涵盖宽范围的波长到跨度长度比。
为了本研究的目的，本文分析W610times;101和W360times;101的单跨，简单支持钢梁。弹性模量，名义屈服应力，和钢的极限应力假定为为200GPa，345MPa，和485 MPa。考虑到原位钢的实力一般高于规定的强度，而且与爆炸载荷反应相关的应变速率导致在产量和极限强度方面产生增量，对于产量和极限强度分别用强度增加因子（SIF）为1.10，，动态增长因子（DIF）为1.19和1.05进行分析[9]。钢被认为符合CSA G40.21（类似于ASTM A588）。用于名义和实际的动态行为，钢材的应力—应变关系使用如图5所示。这些曲线是理想化的双线性背骨曲线，表示钢材的在循环加载常用应力—应变关系[10]。标有动态分析的曲线是通过将因子SIF和DIF应用于标称值来获得。
假设屋顶梁承受静载荷和爆炸3支和6米的支撑板宽度的压力载荷。死亡负载由120mm混凝土板的重量组成。没有混凝土板和钢之间假设复合作用光束。考虑钢梁的三个不同的跨度长度（4米，6米和12米）。基于爆破情景的定义，梁跨度，支流宽度和屋顶梁选择，生成60个不同的分析案例，如图所示表3。
2.1 分析等效均匀加载
屋顶梁的响应通过UFC 3-340-02和TM 5-855文件中提出的方法论简化得到。 首先介绍用于导出动态负载的时间历史的统一负载计算使用SDOF和MDOF模型对导出的等效负载的梁进行动态分析的结果。
2.1.1。计算等效均匀载荷
均匀载荷的特征是基于UFC 3-340-02和TM 5-855方法而得出的的。生成的爆炸时间历程在图6中被比较。如前所述，等效的爆炸载荷仅取决于屋顶的跨度长度和爆炸情景。因此，支流宽度的变化屋顶和梁段不会改变压力爆炸时间历史。对于情况1-15表3定义确定压力时间历史，也适用于其他类似16到60情况。
从图6中可以看出，两种方法给出非常不同的爆炸加载时间历史。最高可达336%的时间历史和217％的脉冲（曲线下面积）两者存在不同。从UFC 340-340-02获得的时间在大多数情况下提供更高的压力和脉冲。观察到以屋顶的跨距更长为目的，并通过两种方法增加产生的爆炸加载历史时间，与更强的爆炸场景（缩小距离）之间存在差异。
2.1.2。经过等效均匀载荷的SDOF系统分析
用于分析经受爆炸载荷的单个元件的传统方法是SDOF分析[2,11,12]。在这个方法中，假设元素的响应是完全在振动的基本模式，并且质量，刚度和对构件施加的动态载荷集中在
单点，例如梁的中跨。等效SDOF系统的结构特性定义为属性质量因数（），刚度系数（）和负载系数（KL），见等式（4）和（5）。这些因素是通过构件中的能量项和等效SDOF系统得出。
（4）
（5）
式中和分别是每单位长度的质量和负载函数，L是梁的跨度，并且假定为构件的位移形状函数。和之间的差异是可以忽略的[12]。
对于和因
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