Propagation Law of Explosion Shock Wave in Steel Structure

Mingfang SHI; Zhenyu LIU; Zhichang TIAN; Jiaqi YUAN

doi:10.13409/j.cnki.jdpme.20210908001

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Propagation Law of Explosion Shock Wave in Steel Structure

更新时间：2025-09-25

- Propagation Law of Explosion Shock Wave in Steel Structure
- Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering Vol. 42, Issue 2, Pages: 283-293(2022)
- 作者机构：
  
  内蒙古科技大学土木工程学院，内蒙古包头 014010
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.13409/j.cnki.jdpme.20210908001
  CLC： TU328
- Published：28 April 2022
- 稿件说明：
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史明方,刘振宇,田志昌等.火灾下爆炸冲击波在钢结构中的传播规律及破坏机理[J].防灾减灾工程学报,2022,42(02):283-293.

SHI Mingfang,LIU Zhenyu,TIAN Zhichang,et al.Propagation Law of Explosion Shock Wave in Steel Structure[J].Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering,2022,42(02):283-293.
史明方,刘振宇,田志昌等.火灾下爆炸冲击波在钢结构中的传播规律及破坏机理[J].防灾减灾工程学报,2022,42(02):283-293. DOI： 10.13409/j.cnki.jdpme.20210908001.

SHI Mingfang,LIU Zhenyu,TIAN Zhichang,et al.Propagation Law of Explosion Shock Wave in Steel Structure[J].Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering,2022,42(02):283-293. DOI： 10.13409/j.cnki.jdpme.20210908001.

摘要

为了研究爆炸冲击波对结构的影响，基于一维爆炸波轴向传播方程，结合流固耦合的方法，借助ANSYS/LS‑DYNA有限元软件建立三维单层单跨框架模型。考虑高温软化效应和应变率对屈服强度的影响，分析连接方式为固定端时爆炸波的传播，研究爆炸与火灾联合作用下爆炸波在钢结构构件中的传播规律及其破坏原因。研究结果表明：垂直爆炸波方向的竖向构件内力的分布具有弱传递性，沿爆炸波方向的杆件动力响应显著；700 ℃爆炸冲击波在杆端往复传播导致在钢结构杆件中传播速度明显比常温下慢，但截面轴向速度的峰值变大，约为200 ℃的3倍，并且沿爆炸波方向杆件的轴向速度比垂直方向杆件的轴向速度大得多；常温下，垂直爆炸波的梁因受剪单元提前发生失效；高温下，构件损伤严重，垂直爆炸波方向的梁最先发生弯剪破坏，其次为柱剪切破坏，最后沿爆炸波方向的梁产生受压破坏。

Abstract

In order to study the impact of blast wave on the structure， a three-dimensional single-layer single-span frame model was established by ANSYS/LS-DYNA finite element software based on the axial propagation equation of one-dimensional blast wave and fluid-structure coupling method. Considering the effects of high temperature softening and strain rate on yield strength， the propagation of the explosion wave at fixed ends was analyzed， and the propagation law of explosion wave in steel structural members under the combined action of explosion and fire was studied. The results show that the internal force distribution of vertical members perpendicular to the explosion wave direction has weak transmissibility， and the dynamic response of the member along the direction of the explosion wave is significant. The reciprocating propagation of explosion shock wave at the end of the rod at 700 ℃ results in a obviously slower propagation velocity in the steel structure rod than that at normal temperature， and a larger peak value of the section axial velocity， which is about 3 times of that at 200 ℃， and the axial velocity of the rod along the direction of the explosion wave is much larger than that in the vertical direction. At room temperature， the beam with vertical explosion wave fails in advance because of shear element. Under high temperature， the member is seriously damaged. The beam perpendicular to the explosion wave direction first shows bending shear failure， followed by column shear failure， and finally the beam along the explosion wave direction suffers compression failure.

关键词

Keywords

references

Yin Z ， Wang Z ， Zhen Y ， et al . Propagation characteristics of gas explosion in linked vessels based on DDT criteria ［J］. Journal of Loss Prevention in the Process Industries ， 2021 ， 73 ： 104598 .

叶俊 . 框架—剪力墙结构的爆炸动力响应研究［D］. 兰州理工大学， 2014 .

Ye J . The dynamic response of frame-shear wall structure under explosion action ［D］. Lanzhou University of Technology ， 2014 . （in Chinese）

尹华伟，张料，段金曦，等 . 平面爆炸波加载装置技术研究［J］. 爆破， 2021 ： 1 - 9 .

Yin H W ， Zhang L ， Duan J X ， et al . Research on technology of plane explosion wave loading device ［J］. Blasting ， 2021 ： 1 - 9 . （in Chinese）

陈大鹏，陈力，还毅，等 . 盐城响水化工园区“3·21”危化品爆炸事故爆炸威力分析及灾害后果评估［J］. 防灾减灾工程学报， 2020 ， 40 （ 2 ）： 196 - 203 .

Chen D P ， Chen L ， Huan Y ， et al . Analysis on the power and disaster consequence of "3·21" explosion accident in the Chemical Industry Park of Xiangshui ， Yancheng ［J］. Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering ， 2020 ， 40 （ 2 ）： 196 - 203 . （in Chinese）

Cui Y ， Song M ， Qu Z ， et al . Research on damage assessment of concrete-filled steel tubular column subjected to near-field blast loading ［J］. Shock and Vibration ， 2020 （ 11 ）： 1 - 19 .

Thai D K ， Pham T H ， Nguyen D L . Damage assessment of reinforced concrete columns retrofitted by steel jacket under blast loading ［J］. The Structural Design of Tall and Special Buildings ， 2019 ， 29 （ 1 ）： 1 - 15 .

Lak M ， Marji M F ， Bafghi A Y ， et al . A coupled finite difference-boundary element method for modeling the propagation of explosion-induced radial cracks around a wellbore ［J］. Journal of Natural Gas Science and Engineering ， 2019 ， 64 ： 41 - 51 .

张秀华，吴燕燕，李玉顺 . 室内燃气爆炸作用下钢框架结构动力响应分析［J］. 工程力学， 2013 ， 30 （增1 ）： 358 - 362 .

Zhang X H ， Wu Y Y ， Li Y S . Numerical analysis of dynamic responses of steel frame structure subjected to internal gas explosion ［J］. Engineering Mechanics ， 2013 ， 30 （ Sup1 ）： 358 - 362 . （in Chinese）

陆晓彤 . 室内爆炸作用下钢框架及其梁柱连接的动力响应分析［D］. 上海交通大学， 2019 .

Lu X T . Research on dynamic response of steel frame and beam-column connection under internal explosion ［D］. Shanghai Jiao Tong University ， 2019 . （in Chinese）

于文静，赵金城，龚景海，等 . T型相贯节点在爆炸冲击和火灾作用下力学性能的有限元分析［J］. 上海交通大学学报， 2012 ， 46 （ 2 ）： 335 - 340 .

Yu W J ， Zhao J C ， Gong J H ， et al . Numerical analysis of steel tubular T-joint mechanical performance under blast and fire ［J］. Journal of Shanghai Jiaotong University ， 2012 ， 46 （ 2 ）： 335 - 340 . （in Chinese）

杨亚东，李向东，王晓鸣，等 . 钢筋混凝土结构内爆炸相似模型试验研究［J］. 南京理工大学学报， 2016 ， 40 （ 2 ）： 135 - 141 .

Yang Y D ， Li X D ， Wang X M ， et al . Experimental study on similarity model of reinforced concrete structures under internal explosion ［J］. Journal of Nanjing University of Science and Technology ， 2016 ， 40 （ 2 ）： 135 - 141 . （in Chinese）

李忠献，何振锋，师燕超，等 . 爆炸荷载下钢筋混凝土柱动态响应分析的宏观模型［J］. 工程力学， 2015 ， 32 （ 9 ）： 76 - 83 .

Li Z X ， He Z F ， Shi Y C ， et al . Macro model for dynamic analysis of reinforced concrete columns under blast loading ［J］. Engineering Mechanics ， 2015 ， 32 （ 9 ）： 76 - 83 . （in Chinese）

周龙云，石磊，徐令宇，等 . 爆炸冲击作用下H型钢柱损伤等级快速评估［J］. 防灾减灾工程学报， 2019 ， 39 （ 5 ）： 851 - 857 .

Zhou L Y ， Shi L ， Xu L Y ， et al . Method for classifying level of steel column under impact of explosion ［J］. Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering ， 2019 ， 39 （ 5 ）： 851 - 857 . （in Chinese）

段立平，赵金城 . 火灾及爆炸共同作用下平面约束钢梁的非线性分析理论［J］. 防灾减灾工程学报， 2014 ， 34 （ 3 ）： 268 - 276 .

Duan L P ， Zhao J C . Study on response of restricted steel beam under load combinations of fire and blast using nonlinear timoshenko beams ［J］. Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering ， 2014 ， 34 （ 3 ）： 268 - 276 . （in Chinese）

徐文晶，段立平，赵金城 . 约束钢梁在高温与爆炸共同作用下的响应分析［J］. 防灾减灾工程学报， 2013 ， 33 （ 3 ）： 342 - 347 .

Xu W J ， Duan L P ， Zhao J C . Research on response of restricted steel beam under elevated temperature and blast loading ［J］. Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering ， 2013 ， 33 （ 3 ）： 342 - 347 . （in Chinese）

Castillo D ， Al-qadi I L . Mechanical modelling of asphalt concrete using grid division ［J］. The International Journal of Pavement Engineering ， 2020 ， 21 （ 8 ）： 1012 - 1023 .

潘城，赵光明，孟祥瑞 . 网格划分对爆破损伤有限元分析的影响［J］. 爆破， 2015 ， 32 （ 4 ）： 21 - 25 .

Pan C ， Zhao G M ， Meng X R . Influence of meshing in FEA analysis of blasting damage ［J］. Blasting ， 2015 ， 32 （ 4 ）： 21 - 25 . （in Chinese）

赵明华，张锐 . 有限元上限分析网格自适应方法及其工程应用［J］. 岩土工程学报， 2016 ， 38 （ 3 ）： 537 - 545 .

Zhao M H ， Zhang R . Adaptive mesh refinement of upper bound finite element method and its applications in geotechnical engineering ［J］. Chinese Journal of Geotechnical Engineering ， 2016 ， 38 （ 3 ）： 537 - 545 . （in Chinese）

李康，李守先，刘娜 . 强爆炸火球辐射流体自适应网格高精度数值模拟［J］. 计算物理， 2021 ， 38 （ 2 ）： 146 - 152 .

Li K ， Li S X ， Liu N . High-precision numerical simulation of strong explosive fireball with adaptive Mesh ［J］. Chinese Journal of Computational Physics ， 2021 ， 38 （ 2 ）： 146 - 152 . （in Chinese）

张秀华，李玉顺，张宇，等 . 爆炸荷载作用下钢柱的动力响应与影响因素分析［J］. 防灾减灾工程学报， 2014 ， 34 （ 1 ）： 73 - 77，84 .

Zhang X H ， Li Y S ， Zhang Y ， et al . Dynamic response and influence factor analysis of steel column under blast loading ［J］. Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering ， 2014 ， 34 （ 1 ）： 73 - 77，84 . （in Chinese）

Daniel C ， Imad A L . Mathematical modeling of propagation of explosion waves and their effectonvarious objects ［J］. International Journal of Pavement Engineering ， 2020 ， 21 （ 8 ）： 433 - 443 . （in Chinese）

阎石，毕加亮，齐宝欣 . 考虑典型密集建筑群影响的爆炸超压空间分布规律分析［J］. 防灾减灾工程学报， 2018 ， 38 （ 2 ）： 203 - 208 .

Yan S ， Bi J L ， Qi B X . Regularity analysis on explosion overpressure spatial distribution considering impacts of typical dense architectural complex factors ［J］. Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering ， 2018 ， 38 （ 2 ）： 203 - 208 . （in Chinese）

杨亚东，李向东，王晓鸣 . 爆炸冲击波空中传播特征参量的优化拟合［J］. 爆破器材， 2014 ， 43 （ 1 ）： 13 - 18 .

Yang Y D ， Li X D ， Wang X M . Optimum fitting for characteristic parameters of blast shockwaves traveling in air ［J］. Explosive Materials ， 2014 ， 43 （ 1 ）： 13 - 18 . （in Chinese）

周天华，李艳春，吴函恒，等 . 冷弯薄壁型钢拼合箱形截面短柱承载力叠加法［J］. 湖南大学学报（自然科学版）， 2020 ， 47 （ 11 ）： 46 - 55 .

Zhou T H ， Li Y C ， Wu H H ， et al . Superposition method for bearing capacity of cold-formed thin-walled steel built-up box section short columns ［J］. Journal of Hunan University （Natural Science Edition）， 2020 ， 47 （ 11 ）： 46 - 55 . （in Chinese）

谢烽，韩亮，刘殿书，等 . 基于叠加原理的隧道爆破近区振动规律研究［J］. 振动与冲击， 2018 ， 37 （ 2 ）： 182 - 188 .

Xie F ， Han L ， Liu D S ， et al . Vibration law analysis for a tunnel's field near blasting based on waveform superposition theory ［J］. Journal of Vibration and Shock ， 2018 ， 37 （ 2 ）： 182 - 188 . （in Chinese）

胡昌明，贺红亮，胡时胜 . 45号钢的动态力学性能研究［J］. 爆炸与冲击， 2003 （ 2 ）： 188 - 192 .

Hu C M ， He H L ， Hu S S . A study on dynamic mechanical behaviors of 45 Steel ［J］. Explosion and Shock Waves ， 2003 （ 2 ）： 188 - 192 . （in Chinese）

Daryan A S ， Ziaei M ， Sadrnejad S A . The behavior of top and seat bolted angle connections under blast loading ［J］. Journal of Constructional Steel Research ， 2011 ， 67 （ 10 ）： 1463 - 1474 .

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