爆炸荷載作用下型鋼混凝土柱動力響應分析

謝志英，譚繼可 （長江大學城市建設學院，湖北 荊州434023）

隨著經濟的發展，高層、超高層建筑越來越普遍，而型鋼混凝土構件具有承載力大、抗震性能好等特點［1］，越來越多的鋼－混凝土組合結構被應用在高層建筑中去。近些年，建筑物由于爆炸作用而發生倒塌現象時常發生，汽車撞擊爆炸、化學品爆炸等都屬于爆炸范疇。由于作用時間短，對結構物產生了巨大的沖擊力，對建筑物造成了嚴重的破壞甚至連續性倒塌，對人類的生命安全構成的嚴重的威脅，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構的動力響應，可以分析其破壞形態和相關影響因素，對結構的抗爆性能研究具有重要參考價值。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進行了分析。

1 模型尺寸及相關參數

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

圖1 模型詳圖及配筋信息圖

圖2 作為時間函數的壓力荷載圖

2 有限元模型

根據有限元模型，混凝土采用8節點縮減積分三維實體單元C3D8R，鋼筋和箍筋均采用三維2節點Truss單元T3D2；型鋼采用4節點縮減積分三維殼體單元S4R；混凝土采用損傷塑性本構模型，混凝土拉、壓強度、損傷和變形之間的關系如圖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模型：應力為3.0×108Pa，塑性應變為0；應力為3.75×108Pa時，塑性應變為0.1，鋼材彈性模量E＝2.1×1011Pa，泊松比0.3。

圖3 混凝土抗拉強度、損傷與變形之間的關系圖

圖4 混凝土抗壓強度、損傷與變形之間的關系圖

在定性分析爆炸荷載作用下型鋼混凝土柱的動力響應時，為減少計算量而又不影響結果，對實際模型進行簡化處理，數值分析中不考慮鋼筋和型鋼與混凝土之間的連結滑移，采用 “embed”技術［11］將鋼筋和型鋼嵌入混凝土中，這2種材料之間不發生相對滑動。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分析

3.1 不同壓力荷載下柱動力響應

不同壓力荷載值作用時型鋼混凝土柱端位移響應曲線圖如圖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，達到位移最大值所用的時間也在增加，但其振動形態并沒有改變，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曲線圖

圖7 不同邊界條件下的柱響應曲線圖

3.2 不同邊界條件下的柱動力響應

不同邊界條件下的柱跨中節點位移時程曲線圖如圖7所示。從圖7可以看出，在相同的爆炸荷載作用下，與一端固結的柱相比，兩端固結的柱幾乎沒有發生位移，這樣對柱兩端進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生的破壞作用，從而可以提高結構柱的防爆性能。

3.3 不同箍筋間距下的柱動力響應

圖8 不同箍筋間距下的柱響應曲線圖

圖9 不同型鋼截面下的柱響應曲線圖

不同箍筋間距下的柱響應曲線圖如圖8所示。從圖8可以看出，提高混凝土結構的配箍率可以適當降低柱端位移幅值，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，易發生脆性破壞，箍筋可以較好的對混凝土施加環向壓力，可以較好的協同型鋼與混凝土的相互作用，適當提高了柱子的剛度，在爆炸荷載作用下的位移幅值有所降低。因此，適當提高型鋼混凝土構件的配箍率，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

為研究不同型鋼截面對柱動力響應的影響，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，對應的腹板厚度為：t＝0.006m、0.008m、0.010m。不同型鋼截面下的柱響應曲線圖如圖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，隨著型鋼面積的增加，柱的延性也適當的提高，也增加了柱的耗能能力，這有利于提高其抗爆能力。

4 結論

（1）不同爆炸荷載幅值下柱的響應性能基本相同，僅僅對位移幅值有大的影響。

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

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