第 1 章 绪论
1.1 课题背景及来源
21 世纪以来，世界经济发展迅速，战争不再是时代的主题，取而代之的是和平与发展，然而种族主义与恐怖主义却带来了严重的危害。在各种恐怖袭击中，爆炸袭击往往是恐怖分子优先采用的手段，在人员密集的公共场所实施爆炸袭击，不仅仅会造成爆炸发生区域的人员伤亡，建筑物等受爆炸荷载影响下发生的破坏也会造成巨大的财产损失，并严重威胁人员的生命安全。近年来爆炸袭击事件屡见不鲜，例如 1995 年 4 月 19 日，美国俄克拉荷马城的政府办公楼附近发生的汽车炸弹恐怖袭击事件，事故造成 167 人死亡，592 人受伤，并对附近建筑物的外墙、外柱、楼板等造成了严重损害[1]。2001 年 9 月 11 日，美国发生了震惊世界的“9. 11”恐怖主义袭击事件，使纽约世贸中心倒塌，死亡近 3000 人，造成了巨大的经济损失，对人类造成的精神恐惧更是难以平息[2]。2004 年 3 月 11 日，西班牙马德里发生地铁连环爆炸恐怖袭击，事件导致 190 人丧生，1500 多人受伤；2010 年3 月 19 日，俄罗斯莫斯科地铁发生连环爆炸，造成 40 人死亡，近百人受伤；2013年 4 月 15 日。美国波士顿马拉松比赛发生爆炸事件，致使三人死亡，183 人受伤。目前，意外人为的爆炸冲击灾害也时有发生，如 2015 年 8 月 12 日发生在天津塘沽开发区的由危险品仓库引起的爆炸事件。据事故调查报告显示，此次爆炸所释放的能量巨大，第一次爆炸所产生的能量约为 3 吨 TNT 当量，而第二次爆炸的能量约为 21 吨 TNT 当量。此次事件造成了大量的人员伤亡以及不可估量的经济损失[3]。2019 年 3 月 21 日，江苏响水化工园区发生爆炸事件，造成 78 人死亡，数百人受伤。另外，国内很多生命线工程，如大型 LNG 储罐多建在东部沿海地区，人口非常稠密，其面临的安全问题也异常严峻。因此，对重大工程结构，人员稠密的公共区域以及存在爆炸风险的区域内设置抗爆措施显得尤为重要.
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1.2 国内外研究现状分析
1.2.1 防护结构研究现状
近年来，世界范围内针对公共建筑的恐怖爆炸袭击呈高发趋势，因此，世界范围内的土木工程学者对于建筑物的抗爆性能越发关注。常见的应用于爆炸荷载下的防护结构主要包括防爆墙以及防爆门。防爆墙通常应用于重大工程结构、大跨结构等外围以降低结构在爆炸作用下的损伤；同时也在海洋平台中用以隔离生产区以及生活区，是承受爆炸荷载的重要构件。防爆门常用于国防设施，避难所及防爆结构等出入口处。
对于防爆墙的相关研究国内外的研究主要针对于不同形式的墙体进行有限元分析，针对于防爆墙的试验研究耗费巨大，因此试验较少。曲霞等[4]针对钢板-砂土平板组合防爆墙进行了其在爆炸荷载下的抗爆性能试验研究，给出了荷载的近似公式，并对比了相同尺寸的钢板组合结构防爆墙与钢筋混凝土防爆墙的抗爆性能，试验结果表明前者具有更好的抗爆性能。姜鹏飞等[5]提出了一种钢板-混凝土组合结构形式的防爆墙，采用可调连杆连接两层钢板，分析了这种组合结构在爆炸冲击波作用下的变形，且分析了不同参数对于结构爆炸荷载下的响应的影响；于文静等[6]采用有限元软件 ANSYS/LS-DYNA 建立了爆炸荷载下的四边约束波纹板防爆墙的有限元模型并分析了其动态响应过程；翟希梅等[7]利用有限元软件建立了精确的单层球面网壳模型，并通过模拟得到了结构在设置防爆墙时的爆炸荷载下的响应规律；夏志成等[8]研究了钢板夹聚氨酯以及钢板夹混凝土两种防爆墙在爆炸荷载下的防护效应，认为当使用刚度较小的聚氨酯作为芯材时，防护效应更好。Yuen 等[8]研究了钢板夹填充泡沫圆钢管核芯组合板在爆炸荷载下的响应，并得到了不同炸药质量对试件响应的影响；Li X 等[10]进行了平板以及拱形玄武岩/环氧复合材料夹层板的爆炸试验并分析了其微观的破坏机理；Alsayed 等[11]研究了 GFRP 片材加固填充砌体墙的抗爆性能，进行了有限元模拟分析并与试验进行对比，认为对砌体墙的加固能抵抗中等的爆炸荷载；Ji-Hun Choi 等[12]进行了预应力混凝土板以及钢筋混凝土板的爆炸试验并与有限元模拟进行了对比。
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第 2 章 局部荷载下拱形双钢板混凝土组合墙板静力试验研究
2.1 试件设计与制作
拱形双钢板混凝土组合墙板主要由上、下钢板、侧向钢板、连接件以及混凝土组成。在试件的设计过程中，钢板厚度影响着试件的承载能力，因此设计不同钢板厚度的拱形双钢板混凝土组合墙板试件进行对照试验。为了使试件便于加工，使用光圆钢筋分别与上、下钢板焊接作为拱形双钢板混凝土组合墙板的连接件，且连接件布置于拱形的径向上。
设计的拱形双钢板混凝土组合墙板几何尺寸如图 2-1，跨度为 1200mm，宽度为 1200mm，拱高 300mm，拱形下钢板的曲率半径为 750mm，混凝土层厚度为70mm，连接件半径为 5mm，连接件的长度与试件的厚度相同，且连接件的布置间距为 200mm，分别设计了上、下钢板厚 3mm，上钢板厚 3mm 下钢板厚 5mm 以及上钢板厚 5mm 下钢板厚 3mm 的三个试件。试件的编号及详细尺寸见表 2-1。
拱形双钢板混凝土组合墙板各部分的使用材料如下：钢板采用 Q235 级钢材，混凝土使用强度等级为 C40 的商品混凝土，连接件使用 HPB300 级钢筋。
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2.2 材性试验
为了得到试件各部分材料的力学性能，并在之后的有限元分析中输入相应的材料参数，进而与试验所得结果进行对比，分别对试件所使用的不同厚度钢板、钢筋连接件及混凝土进行了材料力学性能试验。
2.2.1 钢板的材性试验
钢板的材料性能试验根据 GB/T 228.1-2010《金属材料拉伸试验》[51]进行钢板材性试件的构件设计，试件尺寸见图 2-4，材性试验所用试件从静力试验试件所用钢板母材中切割，得到 3mm 和 5mm 两种厚度的材性试件且每种厚度的试件各三个。钢板材性试验在哈尔滨工业大学材料学院电子万能材料试验机进行，试验加载装置如图 2-5，拉伸试验采用位移控制加载，加载速率为 2mm/min，试验所得到的两种不同厚度的钢板应力-应变曲线见图 2-6，不同厚度钢板材料参数见表2-2。
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3.1 有限元建模方法及参数设置 ...................................... 21
3.1.1 局部荷载下拱形双钢板混凝土组合墙板的有限元建模 ..................... 21
3.1.2 钢材失效应变的确定 .................................. 25
第 4 章 局部荷载下拱形双钢板混凝土组合墙板破坏机理和简化计算 ............. 44
4.1 局部荷载下拱形双钢板混凝土组合墙板的破坏过程分析 ........................ 44
4.1.1 近弹性阶段 ............................... 44
4.1.2 屈服阶段 .................................. 45
第 5 章 拱形双钢板混凝土组合墙板抗爆性能分析 ............................. 55
5.1 爆炸荷载下组合墙板有限元模型的建立 ........................... 55
5.1.1 爆炸荷载的施加 ............................... 55
5.1.2 材料的应变率效应 ................................ 56
第 5 章 拱形双钢板混凝土组合墙板抗爆性能分析
5.1 爆炸荷载下组合墙板有限元模型的建立
本章中所采用的墙板结构与静力试验中的试件完全一致，因此拱形双钢板混凝土组合墙板试件的有限元模型与静力荷载下的有限元模型采用相同的建模方法，考虑到试件作为墙体应用于实际工程中，在有限元模型中设置刚性地面作为地面约束，试件侧向约束钢板限制位移与转角，对称截面位置上的节点设置 x 轴方向上的位移与 y 轴和 z 轴上的转角；同时为了节约计算时间，混凝土及钢板的网格尺寸均为 10mm。有限元模型如图 5-1 所示。
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结论
本文提出了一种应用于防护工程的拱形双钢板混凝土组合墙板结构，进行了三个不同钢板厚度的拱形双钢板混凝土组合墙板在局部荷载下的静力试验，开展静力试验下的有限元模型建立，并与试验结果对比验证了模型的准确性。结合试验与有限元数值模拟，分析了静力局部荷载作用下墙板构件的破坏机理，并给出了墙板构件的屈服承载力计算方法；建立了爆炸荷载下拱形双钢板混凝土组合墙板的有限元模型并进行了与试验结果的对比验证，研究了三种爆炸荷载作用下结构的破坏模式，并进行了不同参数下的结构抗爆性能有限元模拟计算，具体结论如下：
（1）进行了拱形双钢板混凝土组合墙板的静力试验，加载方式为使用球型锤头位移控制加载，获得了拱形双钢板混凝土组合墙板在静力荷载下的承载及变形能力、破坏过程与模式、钢板应变、力-位移全过程曲线，试件的力-位移曲线分为明显的四个阶段：近弹性阶段、屈服阶段、强化阶段以及破坏阶段。在加载过程中混凝土发生开裂，下钢板与混凝土层发生脱离，试件的最终破坏形式为锤头处上钢板撕裂，最终变形包括试件的整体变形以及锤头附近椭圆范围内的局部变形。
（2）随混凝土厚度的增大，组合墙板的屈服承载力提高较多，而极限承载力提高有限；增大钢板厚度，构件的极限承载力明显提高，但对屈服承载力的影响较小；增加下钢板厚度使组合墙板的局部变形范围明显减小，而上钢板对此影响不大；钢板总厚度保持不变时，下钢板厚度的增大对提高组合墙板极限承载力更为有效；矢跨比对构件的力-位移曲线影响较大，当拱高较小时（H≤100mm），试件无明显屈服阶段，达到极限承载力后直接破坏。
（3）获得局部荷载作用下拱形双钢板混凝土组合墙板结构的破坏机理：近弹性段各部分保持很小的变形，且均处于弹性阶段，连接件所受轴力很小；在屈服阶段的跨中截面上，混凝土下部产生开裂，下钢板部分达到屈服，连接件与下钢板焊缝处未开裂，试件保持整体工作；达到强化阶段后会出现连接件与下钢板脱开的现象进而下钢板与混凝土层分离，试件不再保持整体性，混凝土在底部中心产生的裂缝逐渐发展为贯穿混凝土截面的斜裂缝；最后由于试件上钢板发生撕裂，力值突降，认为试件完全破坏。
参考文献（略）