爆炸荷载作用下建筑结构连续 倒塌分析研究进展
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摘要: 随着恐怖爆炸以及偶然性爆炸的不断增多, 建筑物的抗爆、防爆问题越来越受关注。近些年来, 国内外学者对爆炸荷载作用下建筑结构的破坏与连续倒塌进行了广泛的研究, 内容包括各类结构构件在爆炸荷载作用下的动态响应特征与损伤破坏机理、结构构件承受爆炸荷载后的损伤程度评估以及结构连续倒塌分析等。综述近些年来国内外爆炸荷载作用下建筑结构的连续倒塌分析研究的最新进展。
关键词：爆炸荷载; 建筑结构; 连续倒塌; 破坏分析; 研究进展
State-of-the-art in Progressive collapse analysis of building structures under blast loads
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Abstract: With the growing number of terrorist bombings and accidental explosions, we take more and more attention to the blast resistant of building structures. Recently, scholars both at home and aboard have done extensive researches about the damage and progressive collapse of building structures under blast loading, including dynamic response characteristic and damage mechanism of structural components under blast loading, damage degree evaluation of structural components under blast loading and progressive collapse analysis of structures under blast loading. This paper reviews the state-of-art in progressive collapse analysis of building structures under blast loading both at home and aboard.
Keywords: blast load; building structure;; progressive collapse; damage analysis; state-of-the-art
引言
近些年来，国内外学者对爆炸荷载作用下建筑结构物连续倒塌进行了广泛的研究，研究包括解析方法，数值模拟方法，实验方法。研究的主要目的是为了防止建筑物的连续倒塌，并且开发建筑物的抗爆设计和构造指导。
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本文主要参照师燕超和李忠献发表的爆炸荷载作用下钢筋混凝土结构破坏倒塌分析研究进展，针对爆炸荷载作用下结构的动态响应、破坏与连续倒塌研究的不同方法，分别综述了近些年来国内外该领域的最新研究成果。
1 解析方法
对于大多数的抗爆设计，单自由度分析是常规方法。尽管分析者可以采用复杂的三维有限元分析，但在爆炸荷载情况下，与威胁尺寸和位置有关的不确定性通常不能说明这种分析的
合理性。“采用具有精度高于分析输入精度的方法是在浪费时间”(biggs，1964)。此外，与传统的设计荷载不同，大多数的爆炸设计允许显著的非线性特性来消耗与动力爆炸荷载相关的能量，而且当构件经历相当大的塑性变形时，单自由度分析的结果与试验测试的数据相
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吻合（Department of the army，1990）。
等效单自由度法的基本思想是, 将结构构件的质量集中到某一点上, 并限制该点在动力荷载作用下只能沿单一方向振动。通过能量等效原理, 确定出等效质量、等效刚度、等效荷载、等效屈服抗力等物理量,进而构建一个等效的单自由度结构体系, 用于计算原结构构件在动力荷载作用下的最大位移响应。图1说明了一个由一半受均布荷载的简单的支撑梁组成的SDOF系统和相应的变形后的形状，△（x）。图中所示的是具有等效质量Me的理想化的弹簧-质量块系统，它在一个等效力Fe的作用下，抵抗等效刚度Ke时通过了位移δ。SDOF方法的准确性取决于假定的挠曲形状能否在空间和时间上很好的代表真实结构各阶段的响应
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（ASCE，1997）。
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图1 单自由度分析简化模型（transportation research board of the natonal acadmies）
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Rong和Li定义了无量纲位移延性指数和无量纲位移指数。F ischer 和H r ing 建立了爆炸荷载作用下结构单自由度体系简化模型各参数的方法,利用模型对其损伤程度进行评
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估。孙建运和李国强通过研究建立了钢骨混凝土柱等效单自由度简化模型。 逐个构件的单自由度分析方法适用于大多数的爆炸设计情况，而且代表了目前抗爆结构设计的实际状态。简化的关键就是如图1弹簧模型的建立，即各参数的确定方法。现有的基于等效自由度分析方法可以用做参考，在计算机数值模拟中有一定应用价值，但是简化的标准不好统一，且精度效果不够理想。
2 数值模拟
随着计算机的发展，国外已将一些程序商业化，形成了一些比较著名的爆炸力学仿真软件，如LS-DYNA，AUTODYN，EPIC，DYTRAN等，在世界范围内得到了广泛的应用与认可。按其采用的坐标可分为拉格朗日方法（Lagrange法）和欧拉方法（Euler法），Wilkins等(1965)提出的HEMP程序和Hageman等(1971)提出的HELP程序分别是两种方法的代表。两者在处理不同问题上各有优缺点，计算中常常需要两者的优点，因此提出了兼具Euler法和Lagrange法特点的计算方法，如ALE方法(Arbitrary Lagrangian Eulerian)、CLE(Coupled Lagrangian Eulerian)等方法。近年来，随着计算机软、硬件技术的不断发展，计算爆炸力学的内涵也不断拓展，其发展趋势是：高精度算法：上世纪80年代以来，以TVD、ENO、WENO为代表的高分辨率方法占据了计算流体力学发展的主流。近年来，数值方法研究又有新的突破，一些新型算法已经出现，其中有代表性的算法有美国学者S. C. Chang提出的时空守恒元解元（CE/SE）
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方法、日本学者提出的约束插值剖面算法（CIP算法）、香港学者徐昆发展的动力差分算法（BGK算法）、中国科学院力学研究所高智提出的摄动有限差分算法和摄动有限体积算法（PDF和PVF算法）等。无网格方法：Lucy于1977 年提出了首个无网格法——光滑粒子流体动力学方法，由于无网格方法既可像Lagrange法一样跟踪材料变形历史，又不涉及网格畸变问题，因此受到了广泛的重视，目前比较有代表性的无网格方法有：光滑粒子流体动力学方法（SPH）、无单元Galerkin方法（EFG）、再生核质点法（RKPM）、径向基函数法（RBF）、无网格局部Petrov-Galerkin方法（MLPG）、单位分解方法（PU）、移动最小二乘法（MLS）等。Level Set运动界面追踪方法：1988年，Osher等人提出了Level set方法。它不需要显式地追踪运动界面，从而可以较容易的处理复杂的物质界面及其拓扑结构发生变化的情形，界面的一些特征（如法向，曲率等）直接隐含在level set函数中，便于精细地描述界面，还易于向高维推广。此外，由于Level set函数的初值是光滑的符号距离函数，因此采用高精度、高分辨率格式成为可能。由于上述优点，使得Level Set方法在运动界面追踪方面显示了巨大的潜力。 3实验研究
试验研究是工程结构抗爆防爆领域研究的重要方法且具有不可替代性。高强爆炸的目的是一个高速的化学反应，产生局部能量的突然释放，通过冲击波猛烈消散。这是一个高度压缩空气区域，从爆炸源成球状辐射。这一系列实验是非常危险的，加之国内的实验条件有限，一般高校及研究生难以实际模拟爆炸。国外的爆炸实验及其结论也相对较少。
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孙文彬选择简支单向板为试件，将两个相同试件分别进行独立的爆炸试验, 并观测了试
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件在弹性区域的动态响应和塑性区域的破坏特征。孙杰、朱立新和王飞等进行了爆炸荷载
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作用下浅埋结构的振动试验。郭志昆和宋锋良等进行了扁平箱形密闭结构内爆炸的模型试验, 研究了密闭钢筋混凝土结构在内部爆炸荷载作用下的破坏形式。
4 总结
目前，爆炸常用的解析法是单自由度分析方法。单自由度分析方法从提出一直沿用至今，不论在数值模拟或实验测试都提供了可靠的参考依据。现在研究抗爆相关课题，仍然要熟知单自由度体系方法的基本原理。随着计算机的快速发展，数值模拟渐渐成为了分析工具。在开发有效的指导手册和构造设计时，数值建模是必不可少的环节。特别是爆炸类实验。实验测试的数据是相对可靠的，但是由于种种限制，可用的数据是有限的。 与此同时, 爆炸荷载的各个参数(如峰值超压和冲量等)、结构构件的尺寸、结构材料属性等等都不可避免的具有不确定性, 这些不确定性将可能显著影响结构在爆炸荷载作用下的动态响应和破坏。换句话说, 在建筑结构的抗爆设计中, 不可能设计出绝对安全的结构, 而是仅仅能将该结构在特定爆炸作用下失效的概率降低到可以接受的水平。在该领域，我们仍然面临诸多挑战。
参考文献
[1]师燕超,李忠献.爆炸荷载作用下钢筋混凝土结构破坏倒塌分析研究进展.土木工程学
报 2010年 43卷
[2] Biggs JM. Introduction to structural dynamics[M]. New York: Mc Graw Hill Book
Co., 1964
[3] Department of the Army. (1990). Structures to Resist the Effects of Accidental