鋼筋混凝土柱的爆炸動力響應分析

董子健

20世紀90年代以來,恐怖襲擊有在全球范圍內迅速蔓延的嚴峻趨勢。爆炸事件頻繁發生,隨著我國經濟的快速發展,越來越多國際化大都市的出現,越來越多的重要建筑物都可能成為恐怖分子制造恐怖事件的理想場所和重點目標。為了抵御恐怖爆炸襲擊的破壞,提高建筑物的抗爆性能成為現在當務之急的措施之一。抗爆研究主要集中在爆炸作用原理、材料動態本構關系、構件抗爆性能、整體結構連續性倒塌和建筑物的抗爆防護措施等方面,然而,鋼筋混凝土柱作為鋼筋混凝土結構的重要受力構件,其承載能力往往關系整個結構的安全性。所以對柱進行抗爆研究,提高其抗爆性能,具有重要意義。

1 有限元模型的建立

1.1 材料參數

炸藥采用HIGH-EXPLOSIVE-BURN模型,JWL狀態方程如下,有關參數見表1。

表1 TNT炸藥模型材料參數

空氣采用NULL材料模型以及LINEAR-POLYNOM IAL狀態方程加以描述。線性多項式狀態方程為:

其中,P為壓力;V為相對體積;E為單位體積內能。

鋼筋本構模型采用LSDYNA中的三號材料模型,即隨動強化模型,關鍵字為*MAT-PLASTIC-KINEMATIC。

混凝土本構模型采用H-J-C模型。

1.2 單元選擇

混凝土單元采用SOLID164,LS-DYNA定義單元算法的關鍵字段成為*SECTION-SOLID-ALE。鋼筋單元采用Beam161梁單元,算法公式采用Hoghes-Liu梁單元。

1.3 計算模型

計算模型見圖1,圖2。根據爆炸沖擊荷載的特點,取三種典型爆炸沖擊波進行分析,如表2所示。

表2 RC柱加載情況表

2 計算分析

2.1 不同炸藥量對結構產生的影響

取4種炸藥當量19.7 kg,30.50 kg,45.5 kg,83.7 kg,從圖3中可以看出,當炸藥量增大,柱中點X向位移和殘余位移均顯著增大,主要是因為沖擊波反射峰壓隨炸藥量的增加而增大。位移最大值—炸藥當量曲線呈現二次曲線形態,這主要是由RC柱抗側剛度的非線性引起的。

2.2 不同炸藥距離對結構產生影響

將炸藥當量固定為83.7 kg,其余不變。圖4給出了不同距離下RC柱中點X向的位移時程曲線圖。當爆炸距離從5 m增加到8 m,柱中位移從8.4 cm降低到1.0 cm,由此說明爆炸距離也是構件的動力響應的主要因素。

2.3 不同混凝土軸心抗壓強度對結構產生的影響

對混凝土強度分別為20 MPa,25MPa,30 MPa,40 MPa的RC柱在工況3-1爆炸荷載作用下的動力響應進行分析,見圖5。

混凝土強度從C20增加到C30時,RC柱中點的X向最大位移和殘余位移下降有限,但到C40時殘余位移較C30就顯著下降。這個主要是因為從C20～C30,RC柱在爆炸荷載下均發生剪切破壞,混凝土強度的增長對其抗爆性能的提高影響有限。

2.4 不同軸壓比對結構產生的影響

在較小爆炸荷載下保持其他參數不變,僅僅改變軸壓比,RC柱中點X方向位移時程曲線如圖6所示。

當柱子軸力較小時,相當于給了混凝土構件一個預壓力,可以有效推遲混凝土受拉區單元在爆炸荷載下的破壞,從而提高了混凝土的抗爆性能。

3 結語

1)提出一種新的簡化計算模型,其考慮了柱周圍構件的約束作用,分析結果具有較高的計算精度;2)影響鋼筋混凝土柱動力響應最大的外部因素是爆炸距離,因此,防爆最重要的措施是保證建筑的安全距離;3)提高混凝土軸心抗壓強度可以顯著降低鋼筋混凝土柱在爆炸荷載下的柱中水平位移;4)當爆炸荷載較小時,軸壓比對鋼筋混凝土柱的抗爆性能有很大影響,當軸壓比低于0.5時,其對柱的抗爆性能有利,當軸壓比大于0.5時,則容易導致柱因中部混凝土壓碎而破壞。

[1]Baker,W.E..Explosion in air.University of Texas Press,Austin,Texas,1973.W.E[M].江 科,譯.北京:原子能出版社,1982.

[2]LS-DYNA Version 971.Livermore Software Technology Corporation,2006.

[3]魏雪英,白國良.爆炸荷載下鋼筋混凝土柱的動力響應及破壞形態分析[J].解放軍理工大學學報(自然科學版),2007,8(5):524-529.

[4]T.D.Ngo,P.A.Mendis Behavior of high-strength concrete columns subjected to blast loading.University of Melbourne,Australia.

[5]方 秦,陳 力,張亞棟,等.爆炸荷載作用下鋼筋混凝土結構的動態響應與破壞模式的數值分析[J].工程力學,2007(S2):43-46.