爆炸荷載作用下壓型鋼板組合樓板的破壞模式

張秀華　高珊

（東北林業大學土木工程學院，黑龍江哈爾濱　150040）

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爆炸荷載作用下壓型鋼板組合樓板的破壞模式

張秀華高珊

（東北林業大學土木工程學院，黑龍江哈爾濱150040）

摘要：利用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA，采用流固耦合的計算方法，對壓型鋼板組合樓板在爆炸荷載作用下進行了不同工況的數值模擬，得出壓型鋼板組合樓板的不同破壞模式，數值結果分析表明：在不同的工況下，壓型鋼板組合樓板可能發生彎曲、剪切、彎剪聯合三種破壞，破壞模式與比例距離有關，隨著比例距離的增大，組合板的破壞減輕。

關鍵詞：壓型鋼板組合樓板，爆炸荷載，數值分析，破壞模式

0　引言

如今，隨著生活水平提高和科學技術的進步，很多的爆炸事件不斷在身邊發生，譬如恐怖襲擊爆炸，煤氣爆炸，化學品爆炸等，眾所周知的天津塘沽大爆炸事件就是典型的化學爆炸事件，全世界范圍內都對爆炸事件產生警惕和重視。現如今國內外許多學者對在爆炸荷載情況下的構件的響應破壞有一些研究［1-6］，例如混凝土梁、鋼梁柱、混凝土板、大跨結構等方向，還沒有對壓型鋼板組合樓板這種構件的研究，因此文章采用LS-DYNA軟件數值模擬爆炸荷載作用下的壓型鋼板組合樓板，得出其不同的破壞模式。

1　有限元數值模型建立

1.1計算模型

壓型鋼板組合樓板板跨度為B，板長度為l，樓板下部采用固定支撐，布置一層鋼筋網，TNT炸藥距樓板面正上方的距離為R，炸藥的等效TNT當量為W，比例距離，計算模型如圖1所示。

1.2材料模型

本文鋼筋鋼板材料模型采用塑性隨動強化模型，混凝土模型采用H-J-C模型［7］，空氣采用MAT_NULL材料模型，并且需要聯合線性多項式狀態方程來模擬，炸藥采用* MAT_HIGH_EXPLOSI VE_BURN材料模型，用JWL狀態方程來模擬。

1.3有限元模型

本文選用LS-DYNA軟件，應用ALE（多物質流固耦合）方法進行爆炸的數值模擬，空氣、炸藥、混凝土單元均采用Solid164實體單元，鋼板單元采用Shell163殼單元，鋼筋采用Beam161梁單元。爆炸和構件分開建模，邊界采用反射邊界條件，本文選用一種Erosion算法，通過控制混凝土和鋼材的應變來判定材料的失效，炸藥和組合板的有限元網格劃分見圖2。

圖1　計算模型及樓板尺寸

2　爆炸荷載作用下壓型鋼板組合樓板的破壞模式

2.1工況介紹

數值分析計算時，炸藥的等效TNT當量為30 kg，板長l = 3 m，寬度為0. 6 m，板厚3 mm，兩端簡支。選取6組工況：TNT炸藥距樓板正上方的距離分別為R =0. 5 m，1 m，2 m，3 m，4 m，5 m，即比例距離分別為Z = 0. 14 m/kg1/3，Z = 0. 28 m/kg1/3，Z = 0. 56 m/kg1/3，Z =0. 84 m/kg1/3，Z =1. 32 m/kg1/3，Z =1. 4 m/kg1/3，鋼筋為HPB300，壓型鋼板為Q345。鋼筋采用10@ 250，混凝土采用C50。

2.2破壞模式

一般在靜態荷載作用下，即荷載作用時間較長，構件容易發生彎曲破壞；在沖量荷載下，即荷載持續時間較短的荷載，構件容易發生剪切破壞；在動力荷載下，構件容易發生彎曲剪切耦合破壞。

判斷依據為：當受拉鋼筋被拉斷及壓區混凝土被壓碎時，就表示該單元發生了彎曲破壞；支座附近或其他單元的平均剪應力達到極限剪應力時，就代表該單元發生了剪切破壞。經過幾組工況的數值模擬，得出壓型鋼板在爆炸荷載作用下共有三種破壞模式，如圖3～圖5所示。

圖3　剪切破壞模式圖

圖4　彎曲剪切破壞模式圖

圖5　彎曲破壞模式圖

如圖3所示，該工況為比例距離Z =0. 14 m/kg1/3時的破壞模式，爆炸荷載超壓峰值較大，持續時間較短，支座處受到的力遠大于支撐力，受到的剪應力大于極限應力，因此支座處的混凝土和鋼板單元很快完全失效，跨中由于受到沖擊波的壓力，少量混凝土被壓碎，板從支座處掉落下去，屬于剪切破壞。

如圖4所示，該工況為比例距離Z = 0. 28 m/kg1/3，Z = 0. 56 m/kg1/3，Z =0. 84 m/kg1/3時的破壞模式，支座附近有部分混凝土和鋼板單元剪應力超過極限強度，跨中混凝土受到爆炸波的壓力大部分被壓碎失效，鋼板跨中出現大的彎曲變形，屬于彎曲剪切聯合破壞。

如圖5所示，該工況為比例距離Z = 1. 32 m/kg1/3，Z = 1. 4 m/kg1/3時的破壞模式，混凝土幾乎沒有破碎，鋼筋產生彎曲變形，鋼板也同樣產生彎曲變形，但是沒有達到其屈服應力，沒有脆性破壞，屬于彎曲破壞。

由以上分析可知，壓型鋼板組合樓板的破壞模式和比例距離有關，隨著比例距離的增加，跨中峰值位移隨著減小，破壞模式由剪切破壞變為彎曲破壞，因此應多關注比例距離小的工況，進而優化設計，提出更好的抗爆方法。

3　結語

1）應用LS-DYNA軟件可以很好的模擬爆炸荷載作用下的壓型鋼板組合樓板，減小計算量且提高安全性。通過模擬得出其在不同工況下的受力變形模態，分為三種破壞模式，分別為：剪切破壞、彎曲剪切聯合破壞、彎曲破壞。

2）通過數值模擬不同工況，得出了不同的破壞模式，分析發現破壞模式和比例距離有關，隨著比例距離的增大，破壞模式由剪切破壞變為彎曲破壞，比例距離越大，破壞程度越小。

3）比較幾種破壞模式，破壞較為嚴重的地方為支座處，支座處由鋼板和混凝土共同工作，所以應考慮對支座處和整體進行優化，對于在爆炸作用下的組合板減小破壞以及提高安全性仍需要進一步研究。

參考文獻：

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Failure mode of profiled steel-concrete composite slab under blast load

Zhang Xiuhua Gao Shan
（College of Civil Engineering，Northeast Forestry University，Harbin 150040，China）

Abstract：Using finite element software ANSYS/LS-DYNA，using the calculation method of fluid-structure interaction，of profiled steel-concrete composite slab under explosion load on the numerical simulation of different working conditions，it is concluded that different failure modes of the pressed steel composite floor slab，the numerical results show that under different conditions，the composite floor slab steel sheet may be three kinds of damage：bending，shear，bending shear joint destruction，failure mode and proportion of distance，with the increase of proportion of distance，the destruction of the composite slab.

Key words：profiled steel-concrete composite slab，blast load，numerical analysis，failure mode

中圖分類號：TU312. 3

文獻標識碼：A

文章編號：1009-6825（2016）09-0041-02

收稿日期：2016-01-15

作者簡介：張秀華（1970-），女，副教授；高珊（1990-），女，在讀碩士