SRP材料加固鋼筋混凝土的抗爆性能研究*

王向陽 林友楊 冉瑞江

(武漢理工大學交通學院 武漢 430063)

SRP材料加固鋼筋混凝土的抗爆性能研究*

王向陽 林友楊 冉瑞江

(武漢理工大學交通學院 武漢 430063)

針對鋼筋混凝土等基礎結構容易遭到破壞的問題，選擇高強度SRP材料加固鋼筋混凝土作為研究對象，借助有限元分析軟件AOTUDYN開展研究工作.通過顯示動力分析軟件AOTUDYN對選取的試件建立模型.利用SRP材料分三種加固方式對鋼筋混凝土進行加固，并通過計算分析爆炸情況下各個測點的速度時程曲線及位移時程曲線，對比未加固RC和加固RC的爆炸響應.利用位移峰值、殘余位移值等指標，全面研究SRP材料加固層數與抗爆性能間的關系.結果表明，SRP材料能夠進一步改善鋼筋混凝土抗爆性能.

SRP；鋼筋混凝土；爆炸；有限元

結構中的柱、板等核心構件出現問題時，結構隨即受到影響，發生坍塌事件.在全球恐怖襲擊、軍事戰爭等逐漸頻繁的今天，有關軍事工程與民用設施的抗爆設計成為人們關注的重點.目前國內外許多學者針對一種高強復合SRP(steel reinforced polymer)的材料性能進行了研究，Barton等[1]選擇4根鋼筋混凝土梁依靠SRP進行處理，完成了4點彎曲分析.Kim等[2]選擇6根試驗梁作為分析對象，依靠3點彎曲試驗對SRP加固性能、加固梁無效模式及開裂方式進行了分析.但是有關SRP新型復合材料在混凝土構件抗爆中的應用探索并不多見，所以文中選擇有限元分析法全面模擬爆炸荷載影響時鋼筋混凝土柱的響應，能夠盡量減小投資，有關SRP加固后的抗爆性能與相關要素的探索將更加方便、合理，不僅可以提高社會與經濟兩方面的價值，也能讓鋼筋混凝土結構抗爆設計更加科學、完善.

1 爆炸沖擊波

爆炸性材料發生爆炸時，將出現非常顯著的氧化反應，從而產生能量沖擊，導致附近的空氣壓力、溫度急劇增加.氣體膨脹類似于活塞運動，使附近的空氣受到擠壓，借此對外界傳遞壓縮波.因為后續壓縮波速度更加明顯，所以會發生重疊，產生壓力急劇上升的特定壓縮波，也就是沖擊波.沖擊波的最前邊被稱作波陣面，或者是波前.緊跟在波陣面后的是與動壓相關的“爆炸風”[3-4].

現階段，許多研究人士針對TNT炸藥基本特性與爆炸沖擊波發展趨勢進行研究時，一般選擇沖擊波壓力、沖量等參數來完成.且將比例距離定義成基本參數.比例距離的定義為

(1)

式中：R為炸藥爆點與測點的間距；W為C-4同等效藥量.

2 SRP材料

加固一般采用玻璃、芳綸等纖維，同時包含樹脂、金屬等基體.對于土木工程而言，通常選擇樹脂基體中的玻璃、碳素及芳綸三種纖維作為SRP材料[5].

目前，SRP被作為一種FRP的代替品，用來維修和加固結構.經過研究不難發現，SRP與FRP相比，在抗彎加固性能一致的情況下，前者需要的費用更少.不僅如此，SRP在韌性與側向抗力兩方面更加優越，當面對彎曲90°強度時，依然十分穩定，且抗火性能十分卓越，屬于一種比較理想的代替品.正是因為如此，我們可以將SRP作為抗爆加固的主要材料[6-7].

市面中存在的一類SRP產品，人們將其命名成Hardwire?，不但能夠制作為熱塑性塑料，而且能夠實現全新的膠凝樹脂體系，包含纖維與鋼筋加固兩方面的優勢[8].主要是通過超高強鋼絲制備而來，其強度超過一般鋼板11倍.與玻璃纖維生產的復合材料相比，通過Hardwire?生產的復合材料厚度僅為前者的70%，質量僅為前者的75%.Hardwire?經過塑造可得到目前已知的大部分樹脂，接著和各種商業纖維復合[9].經美國海軍試用檢驗發現，Hardwire?材料韌性極佳，不但如此，Hardwire?還能夠與聚氨酯、聚脲兩者的復合物一起給鋼結構帶來防爆保護，而美國軍方同樣完成了SRP防護作用的實驗分析，結果均十分理想.

3 數值模擬分析

3.1 有限元模型

選用相關試件完成模擬分析，RC柱長度是2 100 mm，兩端各選300 mm加固，有1 500 mm沒有加固，截面是150 mm×150 mm，保護層20 mm，縱向鋼筋與箍筋兩者的直徑全部是6 mm，間距100 mm.具體尺寸見圖1.

圖1 試件具體尺寸圖(單位：mm)

選擇AOTUDYN顯示動力分析軟件有限元分析法進行模擬，借此指出鋼筋混凝土圓柱爆炸沖擊波帶來的影響.數字計算過程中，基于AUTODYN材料庫各項參數來完成，混凝土網格大小是30 mm，結合文獻[10]選擇庫中的鋼材，強度是985 MPa.因為爆炸沖擊波過程很短，同時借助環氧樹脂接合SRP、混凝土，忽略混領域和鋼筋、SPR間的滑移問題，均認為是密封接合，依靠公共節點直接相連，一起變形，具體部署見圖2.

圖2 有限元數值模擬

3.2 計算結果

數值運算期間，為鋼筋混凝土柱安排測點，全面匯總測點數值，可以獲得各處結構的爆炸響應特征.圖3為模擬過程，包含3個測點：測點1，2，3分別處在圓柱迎爆面中點、底端中部、上端中部.

而在SRP材料加固性能的探索中，主要選擇以下加固方法進行處理：①整體包裹；②僅對中段實施包裹處理，長度500 mm；③僅包裹兩端，長度分別是500 mm.炸點是柱中，間隔2 m，因為測點2,3完全對稱，所有只需求出測點1，2的結果便能夠達到目的，僅有限元運算，能夠獲取不同工況下兩者的水平速度時程曲線(見圖3)，位移時程曲線，見圖4.

a)測點1

b)測點2圖3 速度時程曲線圖

a)測點1

b)測點2圖4 位移時程曲線圖

分析測點1可知，整體、中段、兩端包裹處理后，速度峰值分別減小了40%，26.9%及18.1%；分析測點2可知，整體、中段、兩端包裹處理后，速度峰值分別減小了52.3%，26.9%及5.6%，綜上所述，結合速度峰值減小情況可以判定，整體加固后起到的作用最為理想，其次是中段加固，最后便是兩端加固.

由圖3可知，采用不同的加固方法，PC柱測點速度在原有基礎上全部減小，分析測點1可知，整體、中段、兩端包裹處理后，速度峰值分別減小了40%，26.9%及18.1%；分析測點2可知，整體加固后，速度峰值減小52.3%，中段加固后減小了26.9%，兩端加固后減小了5.6%，綜上所述，結合速度峰值減小情況可以判定，經過整體加固處理，作用最為理想，然后是中段加固，最后是兩端加固.

基于速度殘余值進行研究與探討，由圖4可知，40 ms末，當測點1沒有得到任何處理時，其速度殘余值達到15.2 m/s，整體包裹后是0.2 m/s，中段包裹后是8.4 m/s，兩端包裹后是0.2 m/s.當測點2沒有得到任何處理時，該數值達到13.4 m/s,整體包裹后是0.1 m/s，中段包裹后是5 m/s，兩端包裹后是0.1 m/s.采用不同的加固方法，測點速度殘余值在原有基礎上全部減小，根據其減小的情況可以判定，整體加固后起到的作用最為理想，其次是兩端加固，最后便是中段加固，而整體加固、兩端加固起到的作用基本一致，所以當材料用量受到限制時，能夠依靠兩端加固法進行處理，結果同樣比較合理.

基于水平位移進行研究與探討，40 ms末，當測點1沒有得到任何處理時，其水平位移達到678.4 mm,整體包裹后是20.4 mm，中段包裹后是370.3 mm，兩端包裹后是56.2 mm.當測點2沒有得到任何處理時，該數值達到379.6 mm，整體包裹后是8.8 mm，中段包裹后是177.3 mm，兩端包裹后是11.5 mm.采用不同的加固方法，水平位移在原有基礎上全部減小，分析測點1可知，整體包裹后，水平位移減小了3%，中段包裹后減小了54.6%，兩端包裹后減小了8.3%，綜上所述，根據柱體水平位移情況可以判定，整體加固后起到的作用最為理想，其次是兩端加固，最后便是中段加固，且整體加固、兩端加固起到的作用基本一致，所以當材料用量受到限制時，我們能夠依靠兩端加固法進行處理，結果同樣比較合理.

3.3 SRP加固層數的抗爆響應分析

選擇整體包裹這種方法進行處理，保持其他參數不變，僅改變SRP加固層數，借此完成加固層數抗爆響應的分析.選擇三種工況開展這一研究工作，同時將層數設定成1，2，3層.對于測點1而言，根據工況不同，位移時程曲線也會出現差異，見圖5.

圖5 測點二位移時程曲線圖

表1為加固層數的位移峰值與殘余位移值，由表1可知，三種情況的位移峰值分別是20.36，17.76和9 mm，殘余位移則是6，5和0.7 mm.

表1 加固層數的位移峰值與殘余位移值

由圖5可知，在層數持續上升的過程中，位移峰值持續變小，動力性能隨之提升，40 ms后，當層數是一層時，出現大幅位移，而采用另外兩種層數進行處理，并未出現左、右振動，在加固層數持續上升的過程中，剛度得到了一定提升，柱體受到的約束作用力顯著提高.

當層數是三層時，殘余位移值急劇變小，而采用另外兩種層數進行處理時，產生的作用基本一致，不難理解，此RC柱應當采用三層處理，可以使其抗爆性能得到顯著改善.即便如此，依然需要根據鋼筋混凝土柱尺寸與配筋的實際情況，采用最佳層數進行處理，一方面滿足經濟性原則，另一方面為其可靠性及壽命提供保障.

4 結 論

1) 選擇SRP材料加固RC，結合速度峰值減小情況可以判定，整體加固后起到的作用最為理想，其次是中段加固，最后便是兩端加固；結合速度殘余值減小情況可以判定，整體加固后起到的作用最為理想，其次是兩端加固，最后便是中段加固，且整體加固、兩端加固起到的作用基本一致；結合限制柱位移情況可以判定，整體加固后起到的作用最為理想，其次是兩端加固，最后便是中段加固，且整體加固、兩端加固起到的作用基本一致，所以當材料用量受到限制時，我們能夠依靠兩端加固法進行處理，結果同樣比較合理.

2) SRP加固層數與目標對象的抗爆性能同樣有著直接關聯，當選擇層數是三層時，經過處理后殘余位移急劇變小，但一、二層加固處理后的作用基本一致，足以表明此RC柱應當采用三層加固處理，可以使抗爆性能得到顯著改善.

[1]BARTON B, WOBBE E.Characterization of reinforced concrete beams strengthened by steel reinforced polymer and grout (SRP and SRG) composites[J]. Materials Science and Engineering,2005,12(12):129-136.

[2]KIM Y J, FAM A, KONG A, et al. Flexural strengthening of RC beams using steel reinforced polymer (SRP) composites[C]. Proceeding of the Eighth International Conference on Fibre Reinforced Polymer Reinforcement for Concrete Structure,2006.

[3]BERGER J O. HEFFERNAN P J, WIGHT R G. Blast testing of CFRP and SRP strengthened RC columns[C]. WIT Transactions on the Built Environment,2008,98:95-104.

[4]袁建虎，唐建，呂志堅.鋼絲網高強鋼筋混凝土抗爆性能試驗研究[J].兵工學報,2012,33(3):373-378.

[5]謝威，蔣美蓉，周建南.空爆作用下復合材料加固圓拱動力響應數值模擬[J].武漢理工大學學報,2014,36(1):135-139.

[6]李忠獻，曲樹勝，師燕超，等.地鐵車站臺柱抗爆性能及其優化設計[J].天津大學學報(自然科學與工程技術版),2012,46(2):96-101.

[7]方磊.建筑結構抗爆設防標準及抗爆概念設計研究[D].天津：天津大學，2012.

[8]李永琛.玻璃幕墻結構抗爆炸性能研究[D]．沈陽：沈陽工業大學，2014.

[9]劉超.預應力混凝土橋梁爆炸荷載作用效應研究[D].武漢:武漢理工大學,2012.

[10]徐福泉，杜德印.高強鋼絲織物加固混凝土結構新技術[J].施工技術，2011(40)：67-70.

Studying on the Anti-explosion Performance of SRP Reinforced Concrete Materials

WANG Xiangyang LIN Youyang RAN Ruijiang

(School of Transportation, Wuhan University of Techology, Wuhan 430063, China)

Aiming at the problem that the concrete structure is easy to be destroyed, the high strength SRP material as the research object is used to strengthen the reinforced concrete, and using the finite element analysis software AOTUDYN to carry out the research work in this paper. First of all, the dynamic analysis software AOTUDYN is used to establish the model. Then, the SRP materials are divided into three kinds to reinforce concrete, and the velocity curve and displacement curve of each measuring point are analyzed. In addition, comparisons are made for the explosion responses of no reinforcement RC and reinforcement of RC. Finally, the relationship of SRP reinforcement layers and the anti explosion performance through the displacement peak value and residual displacement value are studied. The results show that SRP materials can further improve the antiknock performance of reinforced concrete.

SRP; reinforced concrete;blast; finite element

2017-04-13

*國家自然科學基金項目(51178361)、湖北省自然科學基金項目(2013CFB342)資助

TU375

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.03.016

王向陽(1970—)：男，博士，教授，主要研究領域為橋梁結構方向