弹丸撞击下钢筋混凝土结构的安全计算与评估

【摘要】钢筋混凝土广泛应用于国防和民用(如核电厂)工程中,研究钢筋混凝土结构在弹丸撞击下的响应和破坏,对工程防护设计和安全评估具有重要的意义。本文的主要目的是预测钢筋混凝土靶板在弹丸撞击发生不同破坏模式时所需要的临界能量,并对钢筋混凝土结构响应进行数值模拟。本文的研究内容主要包含以下几个方面：基于弹丸侵彻力和钢筋混凝土靶板冲击实验数据的基础上,在统一框架内修正了UMIST公式。修正的UMIST公式不仅能适用于平头弹丸,而且适用于非平头弹(如尖头弹、卵形弹和半球形弹等)；不仅能适用于低速撞击,而且也适用于高速撞击；不仅适用于低强度混凝土,而且也适用于高强度混凝土。结果证明修正的公式能在很广的冲击条件内预测在弹丸撞击下钢筋混凝土靶板产生厚度方向开裂破坏、痂斑破坏和贯穿破坏。对刚性平头弹丸撞击下半无限混凝土靶的深侵彻问题进行研究。通过对实验现象的观察,平头弹丸在侵彻过程中会在弹丸前部产生一个“死区”。因此,作为一阶近似可以将平头弹丸侵彻半无限混凝土靶的问题看成是锥形弹侵彻半无限混凝土靶的问题来处理。通过采用刚塑性不可压缩的介质模型,利用滑移线理论方法和虚功率原理,得到了混凝土介质对平头弹丸静阻力部分；再加上由速度效应引起的动阻力,得到混凝土介质对平头弹丸的侵彻阻力。根据所求的混凝土介质阻力,代入到弹丸的运动方程,得出弹丸的侵彻深度公式。该公式预测的弹丸侵彻深度与实验数据吻合得较好。对钢筋混凝土板抗冲剪强度问题进行研究。由于现有的钢筋混凝土板的抗冲剪强度公式中的失效面与真实的失效面并不一致且公式本身并不是无量纲化的,因此现有的公式的适用范围受到一定的限制。本文提出了一个预测钢筋混凝土板在圆柱冲头压入荷载作用下发生冲剪破坏时剪切强度的经验方程,方程中考虑了钢筋量、钢筋间距和跨厚比的影响。通过与实验数据比较,以及与现有的经验公式比较,可以看出本文提出的经验公式具有一定的优越性。基于实验观察和板厚与弹径之比的不同,对钢筋混凝土靶板在平头弹丸低速撞击下的厚度方向开裂破坏进行研究。钢筋混凝土靶板受到平头弹丸低速冲击时一般会发生两种破坏模式,即直接厚度方向开裂破坏,弹丸无明显的侵入；弹丸侵入一定深度后的厚度方向开裂破坏。本文首先建立了弹丸冲击混凝土靶板的侵彻和厚度方向开裂二阶段破坏半分析模型,其次利用本文提出的平头弹丸侵彻混凝土靶板的分析模型得到的侵彻阻力和引入动态增强因子的钢筋混凝土靶板的抗冲剪承载力,得到钢筋混凝土靶板的两种破坏模式的转化条件(破坏模式图)。模型预测与实验数据吻合得较好利用本实验室新建立的混凝土动态本构关系对钢筋混凝土结构在弹丸撞击下的响应和破坏进行数值模拟。该混凝土动态本构模型考虑了压力相关性、应变率效应、Lode角效应、剪切损伤效应和拉伸损伤效应,通过对平头弹丸撞击下的钢筋混凝土靶板响应的数值模拟,得到的钢筋混凝土靶板的破坏形貌与实验观察非常相近,结果令人满意。同时,利用该混凝土动态本构模型对钢筋混凝土板的厚度、钢筋间距和尺寸进行数值模拟研究,得出各因素对钢筋混凝土靶板受到平头弹丸撞击下发生的破坏模式的影响。由于核电厂中的钢筋混凝土结构主要为圆柱壳体和球形壳体,利用数值模拟技术对壳体结构在平头弹丸撞击下产生的破坏情况进行初步研究,结果表明曲率的存在对钢筋混凝土结构的抗冲击能力有利。
【作者】咸玉席；
【导师】文鹤鸣；
【作者基本信息】中国科学技术大学，工程力学，2014，博士
【关键词】钢筋混凝土靶板；弹丸；撞击；UMIST公式；侵彻阻力；冲剪强度；破坏模式；数值模拟；安全壳；

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