爆炸荷載作用下型鋼混凝土柱動力響應(yīng)分析

謝志英，譚繼可 （長江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北 荊州434023）

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，高層、超高層建筑越來越普遍，而型鋼混凝土構(gòu)件具有承載力大、抗震性能好等特點(diǎn)［1］，越來越多的鋼－混凝土組合結(jié)構(gòu)被應(yīng)用在高層建筑中去。近些年，建筑物由于爆炸作用而發(fā)生倒塌現(xiàn)象時(shí)常發(fā)生，汽車撞擊爆炸、化學(xué)品爆炸等都屬于爆炸范疇。由于作用時(shí)間短，對結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生了巨大的沖擊力，對建筑物造成了嚴(yán)重的破壞甚至連續(xù)性倒塌，對人類的生命安全構(gòu)成的嚴(yán)重的威脅，因此，如何提高建筑物的抗爆性能的研究一直是工程界熱門課題之一［2－8］。研究爆炸荷載作用下結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)，可以分析其破壞形態(tài)和相關(guān)影響因素，對結(jié)構(gòu)的抗爆性能研究具有重要參考價(jià)值。為此，筆者基于大型有限元軟件ABAQUS對爆炸荷載作用下型鋼混凝土柱動力響應(yīng)進(jìn)行了分析。

1 模型尺寸及相關(guān)參數(shù)

為研究爆炸荷載作用下型鋼混凝土柱的動力響應(yīng)，設(shè)計(jì)如圖1所示模型。采用如圖2所示的作為時(shí)間函數(shù)的壓力荷載［9］（實(shí)際作用的爆炸載荷幅值為兩者的乘積）。混凝土強(qiáng)度等級為C30，鋼材均采用一級鋼，鋼筋保護(hù)層厚度為20mm，型鋼保護(hù)層厚度為50mm。

圖1 模型詳圖及配筋信息圖

圖2 作為時(shí)間函數(shù)的壓力荷載圖

2 有限元模型

根據(jù)有限元模型，混凝土采用8節(jié)點(diǎn)縮減積分三維實(shí)體單元C3D8R，鋼筋和箍筋均采用三維2節(jié)點(diǎn)Truss單元T3D2；型鋼采用4節(jié)點(diǎn)縮減積分三維殼體單元S4R；混凝土采用損傷塑性本構(gòu)模型，混凝土拉、壓強(qiáng)度、損傷和變形之間的關(guān)系如圖3、圖4所示［10］，彈性模量E＝3.1×1010Pa，泊松比0.2。鋼材采用彈塑性硬化本構(gòu)模型：應(yīng)力為3.0×108Pa，塑性應(yīng)變?yōu)?；應(yīng)力為3.75×108Pa時(shí)，塑性應(yīng)變?yōu)?.1，鋼材彈性模量E＝2.1×1011Pa，泊松比0.3。

圖3 混凝土抗拉強(qiáng)度、損傷與變形之間的關(guān)系圖

圖4 混凝土抗壓強(qiáng)度、損傷與變形之間的關(guān)系圖

在定性分析爆炸荷載作用下型鋼混凝土柱的動力響應(yīng)時(shí)，為減少計(jì)算量而又不影響結(jié)果，對實(shí)際模型進(jìn)行簡化處理，數(shù)值分析中不考慮鋼筋和型鋼與混凝土之間的連結(jié)滑移，采用 “embed”技術(shù)［11］將鋼筋和型鋼嵌入混凝土中，這2種材料之間不發(fā)生相對滑動。型鋼、鋼筋和混凝土有限元模型如圖5所示。

3 型鋼混凝土柱動力響應(yīng)分析

3.1 不同壓力荷載下柱動力響應(yīng)

不同壓力荷載值作用時(shí)型鋼混凝土柱端位移響應(yīng)曲線圖如圖6所示。從圖6可以看出，隨著基本壓力荷載的增大，型鋼混凝土柱端位移幅值也隨著增大，達(dá)到位移最大值所用的時(shí)間也在增加，但其振動形態(tài)并沒有改變，只是對其振動位移幅值有影響。

圖6 不同壓力荷載下柱響應(yīng)曲線圖

圖7 不同邊界條件下的柱響應(yīng)曲線圖

3.2 不同邊界條件下的柱動力響應(yīng)

不同邊界條件下的柱跨中節(jié)點(diǎn)位移時(shí)程曲線圖如圖7所示。從圖7可以看出，在相同的爆炸荷載作用下，與一端固結(jié)的柱相比，兩端固結(jié)的柱幾乎沒有發(fā)生位移，這樣對柱兩端進(jìn)行位移約束可以較好地減少柱跨中位移幅值，可以有效避免因爆炸荷載作用引起柱大變形而發(fā)生的破壞作用，從而可以提高結(jié)構(gòu)柱的防爆性能。

3.3 不同箍筋間距下的柱動力響應(yīng)

圖8 不同箍筋間距下的柱響應(yīng)曲線圖

圖9 不同型鋼截面下的柱響應(yīng)曲線圖

不同箍筋間距下的柱響應(yīng)曲線圖如圖8所示。從圖8可以看出，提高混凝土結(jié)構(gòu)的配箍率可以適當(dāng)降低柱端位移幅值，減少柱的破壞程度。這是由于混凝土是抗拉性能較差的材料，易發(fā)生脆性破壞，箍筋可以較好的對混凝土施加環(huán)向壓力，可以較好的協(xié)同型鋼與混凝土的相互作用，適當(dāng)提高了柱子的剛度，在爆炸荷載作用下的位移幅值有所降低。因此，適當(dāng)提高型鋼混凝土構(gòu)件的配箍率，可以降低爆炸荷載對柱的破壞程度，提高其抗爆性能。

3.4 不同型鋼截面下的柱動力響應(yīng)

為研究不同型鋼截面對柱動力響應(yīng)的影響，保證其他條件不變，分析了3種型鋼截面尺寸：翼緣厚度h＝0.008m、0.010m、0.012m，對應(yīng)的腹板厚度為：t＝0.006m、0.008m、0.010m。不同型鋼截面下的柱響應(yīng)曲線圖如圖9所示。箍筋間距分別為100mm和200mm。從圖9可以看出，隨著型鋼截面面積的增加，型鋼混凝土柱的剛度增加，可以較好的減少爆炸荷載作用下柱的位移幅值。同時(shí)，隨著型鋼面積的增加，柱的延性也適當(dāng)?shù)奶岣撸苍黾恿酥暮哪苣芰Γ@有利于提高其抗爆能力。

4 結(jié)論

（1）不同爆炸荷載幅值下柱的響應(yīng)性能基本相同，僅僅對位移幅值有大的影響。

（2）適當(dāng)提高型鋼混凝土柱的配箍率和型鋼截面可以降低柱的位移幅值，同時(shí)提高配箍率和型鋼截面可以提高柱的延性，增加其耗能富余，從而改善其防爆性能。

（3）由于型鋼混凝土結(jié)構(gòu)柱延性較鋼筋混凝土柱要好，在發(fā)生較大位移后并沒有完全喪失其承載能力，在研究時(shí)不能僅僅通過型鋼混凝土柱的位移響應(yīng)時(shí)程曲線來判斷型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的損傷程度，而要綜合考慮其剩余承載力等因素后才能進(jìn)行判定。

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