鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)爆破拆柱后傳力機(jī)制分析

張凡榛，李必紅，崔偉峰，張碩云，何慶鋒

(1.國(guó)防科技大學(xué)指揮軍官基礎(chǔ)教育學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410072；2.湖南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410082)

鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)爆破拆柱后傳力機(jī)制分析

張凡榛1，李必紅1，崔偉峰1，張碩云1，何慶鋒2

(1.國(guó)防科技大學(xué)指揮軍官基礎(chǔ)教育學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410072；2.湖南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410082)

在鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)遭遇爆炸荷載作用造成支承柱失效試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，分析爆源位置上層框架柱的豎向變形和應(yīng)變變化，框架的受力狀態(tài)，相鄰柱軸力變化等主要試驗(yàn)特征。依循新的荷載傳力路徑研究結(jié)構(gòu)體系在原有支承柱失效后，結(jié)構(gòu)新的荷載傳力機(jī)制的形成規(guī)律，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)爆破拆除和防爆防倒塌設(shè)計(jì)具有積極的指導(dǎo)意義。

混凝土結(jié)構(gòu)；梁柱結(jié)構(gòu)；后倒塌過(guò)程；內(nèi)力重分布

0 引 言

現(xiàn)階段研究多關(guān)注面向爆炸或爆轟作用下鋼筋混凝土構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的抗爆性能、動(dòng)力響應(yīng)和破壞模式[1-4]等等。恐怖襲擊或其他原因引起的爆炸，不僅會(huì)直接對(duì)爆源附近的人員和財(cái)產(chǎn)造成殺傷和毀壞，也會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)局部造成損傷，甚至可能導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)某些關(guān)鍵構(gòu)件失效從而發(fā)生整個(gè)結(jié)構(gòu)或局部的連續(xù)倒塌，從而加劇災(zāi)害程度[5]。

在現(xiàn)實(shí)當(dāng)中，美國(guó)俄亥俄州的Alfred P.Murrah聯(lián)邦大樓[6]，遭遇卡車(chē)炸彈的襲擊，結(jié)構(gòu)發(fā)生連續(xù)倒塌破壞；英國(guó)Ronan Point公寓[7]第18層某戶煤氣爆炸，引起連鎖反應(yīng)，大樓局部發(fā)生連續(xù)倒塌破壞。實(shí)際上，上述事件中，爆炸的能量不足以使得整個(gè)結(jié)構(gòu)發(fā)生整體倒塌破壞，而是由于爆炸對(duì)結(jié)構(gòu)的局部造成損傷和破壞后，結(jié)構(gòu)原有的荷載傳遞路徑散失，傳力機(jī)制發(fā)生改變，結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行重分布，在重力的作用下，最后超出結(jié)構(gòu)承載能力，結(jié)構(gòu)整體倒塌，即所謂結(jié)構(gòu)的后倒塌過(guò)程(Post Failure)。因此，準(zhǔn)確知曉結(jié)構(gòu)遭遇爆炸荷載作用后的傳力途徑和機(jī)制，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)爆破拆除和防爆防倒塌設(shè)計(jì)具有積極的指導(dǎo)意義。

本文以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為例，通過(guò)爆炸拆除構(gòu)件法來(lái)研究結(jié)構(gòu)新的荷載替代路徑和傳力機(jī)制。

1 試驗(yàn)研究

本文通過(guò)對(duì)4層鋼筋混凝土梁柱結(jié)構(gòu)框架，用爆炸方式移除底層框架支承柱試驗(yàn)來(lái)研究爆炸荷載作用下框架結(jié)構(gòu)的傳力機(jī)制。

1.1 模型信息

模型依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010-2002)[8]和《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011-2001)[9]設(shè)計(jì)制作。框架4層2跨2開(kāi)間(見(jiàn)圖1)，模型比例為1∶3。梁、柱鋼筋屈服強(qiáng)度與極限抗拉強(qiáng)度分別為310 MPa和370 MPa。混凝土的強(qiáng)度實(shí)測(cè)值為27 MPa。

1.2 加載方案

倒塌性能試驗(yàn)選擇短軸方向底層邊中柱作為主要支承構(gòu)件移除對(duì)象。為模擬正常使用狀態(tài)，結(jié)構(gòu)活荷載作用，預(yù)先通過(guò)砝碼在板面施加2 kN/m2均布荷載。試驗(yàn)為確保支承完全失效，沿柱高鉆6個(gè)爆破孔，直徑28 mm，間距120 mm，深80 mm。孔內(nèi)填塞炸藥和雷管。采用2號(hào)巖石乳化硝銨炸藥，試驗(yàn)每孔裝藥量為30 g。采用毫秒延期導(dǎo)爆管雷管引爆炸藥，采用觸發(fā)導(dǎo)爆管雷管，通過(guò)軍用78式點(diǎn)火機(jī)引爆電雷管，如圖2所示。試驗(yàn)爆炸瞬間起爆以及柱的爆炸過(guò)程通過(guò)的高速攝像機(jī)進(jìn)行記錄。

1.3 數(shù)據(jù)采集

在鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)模型的測(cè)量位置布置應(yīng)變、轉(zhuǎn)角、位移和加速度4種傳感器，如圖3所示。

主要是位移測(cè)量爆源附近相鄰的軸柱水平方向位移(日本TML公司全橋應(yīng)變式傳感器，量程100 mm)和附近上層柱的豎向位移(大量程1000 mm磁滯式位移傳感器)；加速度測(cè)量主要是失效柱的上端位置的豎向加速度(日本共和電業(yè)出品的壓阻式三向加速度計(jì))；轉(zhuǎn)角測(cè)量主要獲得爆源附近梁的傾斜角度；另外，通過(guò)對(duì)爆源附近支承柱軸向應(yīng)變的測(cè)量，獲得柱軸力變化。上述所有的外接測(cè)試設(shè)備

均接入德國(guó)HBM-MGC Plus動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行同步采集，采樣頻率為1200 Hz。

圖1 結(jié)構(gòu)模型

圖2 柱上炮孔布置

圖3 測(cè)點(diǎn)布置與編號(hào)(正向與側(cè)向)

1.4 主要試驗(yàn)結(jié)果

如圖4所示，爆炸后，底層邊中柱混凝土快速剝離，只剩下縱向鋼筋，可以認(rèn)為支承柱承載能力徹底散失。如圖5所示，底層中柱失效后，結(jié)構(gòu)的振動(dòng)和內(nèi)力傳遞平衡過(guò)程主要集中在前0.3 s時(shí)間內(nèi)，且靠近爆源的測(cè)點(diǎn)(底層)顯示的豎向位移變化比遠(yuǎn)離的測(cè)點(diǎn)(頂層)變化劇烈，下部豎向位移最大達(dá)到-8.5 mm。在0.3 s之后，上部結(jié)構(gòu)在經(jīng)歷有阻尼的衰減振動(dòng)后，內(nèi)力重新平衡，豎向位移保持在-3 mm的位置(向下)。

圖4 起爆瞬間和炸后現(xiàn)場(chǎng)

圖5 爆源位置上層柱豎向位移時(shí)程曲線

圖6給出的是框架底層邊中柱破壞失效后，爆源上部二層和四層柱豎向應(yīng)變時(shí)程變化，受拉為正。二層柱應(yīng)變4.1測(cè)點(diǎn)的變化明顯大于四層柱應(yīng)變

4.2測(cè)點(diǎn)的變化。

圖6 爆源位置上部結(jié)構(gòu)二層柱和四層柱應(yīng)變

圖7給出的是框架底層邊中柱破壞失效后，爆第四層框架梁端應(yīng)變變化情況，受拉為正。從圖中可以看出，梁端上下底面應(yīng)變?cè)诮?jīng)歷了自由衰減振動(dòng)后都趨于穩(wěn)定，其中上側(cè)應(yīng)變4.6測(cè)點(diǎn)受拉，下層應(yīng)變4.5與4.7測(cè)點(diǎn)均顯示出受壓狀態(tài)，而且受壓應(yīng)變變化(穩(wěn)定后約175με)明顯大于上側(cè)受拉應(yīng)變變化(穩(wěn)定后接近75με)。

圖7 第四層梁端應(yīng)變變化

圖8給出的是框架底層邊中柱破壞失效后，爆源位置相鄰柱豎向應(yīng)變，受拉為正。靠近爆源側(cè)應(yīng)變4.3測(cè)點(diǎn)初始有個(gè)受拉過(guò)程而后轉(zhuǎn)入受壓狀態(tài)，遠(yuǎn)離爆源側(cè)應(yīng)變4.4測(cè)點(diǎn)在爆炸發(fā)生后變化劇烈，總體與相對(duì)位置應(yīng)變4.3測(cè)點(diǎn)呈相向的變化。

圖8 爆源位置相鄰底層柱豎向應(yīng)變

2 傳力機(jī)制分析

(1)爆破拆柱后，從二層及頂層柱豎向位移變化來(lái)看，最大變化只有8.5 mm，說(shuō)明整個(gè)結(jié)構(gòu)仍處于彈性狀態(tài)；從爆炸發(fā)生開(kāi)始至0.4 s時(shí)間內(nèi)，由于底層支承柱突然失效，結(jié)構(gòu)開(kāi)始尋找新的傳力路徑，而且越靠近爆源附近，反應(yīng)越發(fā)劇烈(底層變化2大于頂層變化1)，越遠(yuǎn)離爆源位置的反應(yīng)越慢；底層位移與頂層位移最終趨于一致，說(shuō)明由于結(jié)構(gòu)的空間作用在不斷協(xié)調(diào)平衡各構(gòu)件內(nèi)力，構(gòu)件內(nèi)力的變化最終會(huì)在結(jié)構(gòu)體系中有所反應(yīng)和體現(xiàn)。

(2)結(jié)構(gòu)在位移上協(xié)調(diào)變形一致，在結(jié)構(gòu)內(nèi)力上表現(xiàn)出差別。上部結(jié)構(gòu)失去下柱支承后，二層和四層柱豎向位移趨于一致，但是通過(guò)二層與四層柱測(cè)量的應(yīng)變變化可以看出，越靠近爆源位置應(yīng)變變化(4.1測(cè)點(diǎn))越劇烈，越遠(yuǎn)離爆源位置應(yīng)變變化(4.2測(cè)點(diǎn))越平緩。上端支承柱原處于受壓狀態(tài)，下端支撐力失效后，上端支承柱相當(dāng)于卸載，且卸載的幅度約是上層柱的2倍。此時(shí)，說(shuō)明結(jié)構(gòu)傳力機(jī)制不再通過(guò)支承柱傳遞，轉(zhuǎn)而需求新的荷載路徑。

(3)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，框架結(jié)構(gòu)樓面荷載，以雙向板或單向板的受力機(jī)制傳遞給框架梁。從圖7梁端上下表面的應(yīng)變可以看出，上表面受拉(4.6測(cè)點(diǎn))和下表面受壓(4.5和4.7測(cè)點(diǎn))。說(shuō)明底層支承柱失效后，原通過(guò)柱傳遞的荷載，轉(zhuǎn)由梁來(lái)承擔(dān)，造成梁端彎矩顯著增加。依據(jù)公式(1)計(jì)算新彎矩M與原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)彎矩相比增至約3.5倍。

式中，E為彈性模量；I為截面慣性矩；r為截面曲率半徑；φ為截面曲率；h0為截面有效高度；εt；εb分別為截面上部和下部應(yīng)變。

(4)而梁承擔(dān)的板面荷載，最終還是傳遞至周邊相鄰柱。相鄰底層柱應(yīng)變(4.3和4.4測(cè)點(diǎn))最終穩(wěn)定，均為受壓狀態(tài)，說(shuō)明原邊中柱失效后，結(jié)構(gòu)體系尋求荷載路徑的終點(diǎn)，落實(shí)到相鄰柱承擔(dān)新分配的軸力。依據(jù)公式(2)計(jì)算新增軸力N與原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軸力(50 kN)比較增加約39%。

式中，E為彈性模量；ε為截面應(yīng)變；A為截面面積。

綜上，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)支承構(gòu)件失效后，原來(lái)由板-梁-支承柱的傳力機(jī)制發(fā)生改變，結(jié)構(gòu)體系尋求新的平衡，原失效柱傳遞的荷載，通過(guò)梁和板傳遞至周邊相鄰柱，如圖9所示。

圖9 板面荷載分配示意

3 結(jié) 論

本文從爆炸荷載作用造成鋼筋混凝框架結(jié)構(gòu)支承柱失效試驗(yàn)，研究結(jié)構(gòu)原有荷載傳遞路徑失效后結(jié)構(gòu)受力機(jī)制變化規(guī)律，為精確分析結(jié)構(gòu)遭遇爆炸倒塌過(guò)程破壞機(jī)理研究提供參考依據(jù)。

(1)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的整體作用，構(gòu)成結(jié)構(gòu)爆破拆柱后傳力機(jī)制的基礎(chǔ)。結(jié)構(gòu)依靠整體作用，傳遞和平衡新增荷載，協(xié)調(diào)構(gòu)件之間變形。底層柱失效后，新的荷載傳力機(jī)制，使得框架梁承擔(dān)荷載約增至原來(lái)的3.5倍，相鄰柱新增軸力也較原設(shè)計(jì)增加約39%。

(2)由于試驗(yàn)中協(xié)調(diào)變形較小，結(jié)構(gòu)體系中梁壓拱作用和懸索作用未有體現(xiàn)。爆炸造成支承柱失效后，相鄰柱新增軸是否超出柱軸壓比限制等是需要進(jìn)一步研究的問(wèn)題。

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[8] GB50010-2002.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[9] GB50011-2001.建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

2016-08-25)

張凡榛(1982-)，湖南長(zhǎng)沙人，博士，講師，主要從事工程結(jié)構(gòu)防爆防倒塌研究，Email：609051168＠qq.com。