大跨空间钢结构广泛应用于人员活动密集的大型公共建筑，一旦遭遇内爆炸袭击，极易造成重大人员伤亡、财产损失和恶劣社会影响，但相关研究薄弱。本项目采用数值模拟和模型试验相结合的方法，对内爆炸作用下大跨空间钢结构的动力响应、破坏模式、失效机理和防爆方法进行研究。首先，基于ALE有限元，对大跨空间钢结构内爆炸冲击波的传播规律进行数值实验，推演冲击波超压与炸药TNT当量和爆炸点距离之间的数学表达。其次，对爆炸冲击波超压进行本征正交分解法(POD法)分解和重构，使时空不同步的海量冲击波超压频谱转换成有限数量的表征值，获得冲击波压力场在结构表面上的分布，使爆炸冲击波作用数量化并进行试验验证。然后，考虑结构几何及刚度、非结构破坏和泄爆影响并结合试验结果，对大跨空间钢结构在内爆炸冲击波超压作用下的动力响应机制、失效模式和机理进行数值仿真和分析。在此基础上，提出大跨空间钢结构的防爆和泄爆方法及正确使用指引。

大跨空间钢结构广泛应用于人员活动密集的大型公共建筑，一旦遭遇内爆炸袭击，极易造成重大人员伤亡、财产损失和恶劣社会影响，但相关研究薄弱。本项目采用有限元数值仿真、理论计算和试验研究相结合的方法，对大跨空间钢结构在内爆炸下的冲击波传播和分布规律，结构的爆炸动力效应，结构几何及刚度、非结构破坏和泄爆对爆炸效应的影响，以及结构的防爆和抗爆措施等进行了研究。研究内容主要包括： （1）结构内爆炸冲击波的传播、聚集效应和计算方法； （2）结构的内爆炸动力响应、破坏模式、损伤和失效机理； （3）结构几何和刚度、围护结构和泄爆对爆炸效应的影响； （4）围护结构的泄爆阀值和泄爆效应； （5）钢材的强冲击材料性能试验、空爆试验和钢网壳模型内爆炸试验。 通过研究，本项目取得以下主要成果： （1）揭示了内爆炸下，冲击波在大跨空间钢网壳内的传播、聚集规律，提出了准确度更好的冲击波超压计算的修正公式。 （2）基于试验结果，建立了内爆炸下大跨空间钢网壳结构的参数化数值仿真计算模型，能够相当准确地模拟计算大跨空间钢结构的内爆炸、冲击波传播过程、结构失效和破坏模式。 （3）通过研究炸药量、爆炸点位置、刚度、结构空间几何、围护结构开洞与泄爆方式等因素对钢结构球网壳、柱网壳和平板网架内爆炸动力效应的影响，揭示了大跨空间钢结构在内爆炸作用下的动力响应机制、结构损伤和破坏模式、失效机理及其与主要影响因素的关系。 （4）进行了钢材的霍普金森杆材料性能冲击试验、炸药空爆试验。分别完成了强、弱围护结构钢网壳模型的场地大型内爆炸试验和测试，积累了有价值的爆炸试验实测数据。 （5）初步揭示了围护结构泄爆对大跨空间钢结构内爆炸效应的影响规律，以及爆炸效应与墙（屋）面刚度、开洞方式等因素的关系。提出了确定几种钢网壳结构泄爆阀值的方法。 （6）提出了大跨钢网壳结构防爆、抗爆和泄爆的方法以及维护使用的技术指引。 本项目还取得了一些其他成果。 2100433B

中文摘要：爆炸荷载作用下玻璃幕墙的破坏机理涉及到PVB胶片的本构关系、夹层玻璃静力作用下力学模型、爆炸冲击荷载-玻璃流固耦合作用等前沿问题，国内外在这些方面的研究还未取得突破性进展。因此课题通过试验手段建立PVB胶片的本构关系，通过夹层玻璃静力试验及数值模拟，建立与实际受力相符的力学模型，在此基础上进行抗爆炸试验及数值模拟的研究分析，对玻璃幕墙在爆炸作用下的破坏机理和性能研究进行研究，为玻璃幕墙的抗爆炸设计有价值的参考。得到了夹层玻璃PVB胶片在不同温度及加载速率下的本构关系模型；进行了四边简支夹层玻璃的承载力试验及数值模拟研究，建立了与实际受力相符的夹层玻璃力学模型；进行了不同类型玻璃面板在爆炸冲击荷载作用下的动力响应试验，研究了不同玻璃类型的破坏形式；在试验的基础上进行了爆炸荷载作用下玻璃面板动力响应的有限元分析，并考虑了不同参数（玻璃尺寸、厚度）对玻璃面板抗爆性能的影响；采用多物质ALE算法进行了了炸药作用下爆炸的产生以及爆炸冲击波与玻璃面板结构之间的耦合作用的数值分析；基于试验及有限元结果，提出了爆炸冲击荷载作用下玻璃幕墙动力响应的简化分析方法。 2100433B

针对冲击荷载作用下网壳结构的失效机理与防御方法展开研究。主要内容包括：（1）研究网壳结构受冲击荷载作用的精细化建模及研究方法，通过对精确化本构模型、非线性单元类型、接触类型、求解策略等进行细致研究，实现数值模型的精确、高效求解；（2）研究冲击荷载作用下网壳结构的失效模式及失效机理，研究其动力失效性质及特征，以及结构在冲击荷载作用下的失效准则；（3）研究冲击荷载作用下网壳结构的失效规律，研究冲击结束时刻的局部响应与结构失效模式之间的作用规律；（4）研究冲击荷载作用下网壳结构的防御方法，提出合理有效的网壳抗冲击的防御设计方法，指导结构抗冲击防御设计。通过本项目的研究，形成冲击荷载作用下网壳结构的失效机理与防御方法研究的较完善的分析与设计理论，提升我国大跨空间结构突发灾害防御研究水平。

现有关于玻璃幕墙结构的研究均集中在静力荷载作用下的设计与计算。近年来，发生了一些爆炸冲击等偶然荷载作用下的建筑破坏事故，而玻璃幕墙作为建筑的外围护结构，它的抗爆性能显得尤为重要。但研究爆炸冲击荷载作用下的幕墙结构的工作性能涉及冲击荷载作用下夹层玻璃PVB胶片的本构关系、夹层玻璃的非线性动力分析、玻璃幕墙-冲击波流固耦合作用等复杂的基础问题。本课题是在中央电视台新台址大楼玻璃幕墙抗爆炸试验的基础上，结合抗爆炸试验和数值仿真模拟手段，进行玻璃幕墙在抗爆作用下的破坏机理和性能的研究。通过对比爆炸仿真与试验测量结果，找出适合玻璃幕墙爆炸仿真的理论方法和关键技术，对影响玻璃幕墙抗爆炸能力的主要因素和规律进行分析，找到控制设计因素及方法，为制订玻璃幕墙抗爆炸设计规范提供理论依据。通过本课题的研究有望为重大玻璃幕墙结构的抗爆炸设计提供科学依据，填补国内空白，开始实现我国从幕墙应用大国到研究强国的转变。