爆炸荷載作用下混凝土框架結構的倒塌破壞研究

王國慧

（蕪湖市建昌工程質量檢測中心有限公司，安徽 蕪湖 241000）

引言

連續倒塌是指關鍵結構構件在爆炸、撞擊等突發作用下發生破壞并向其他構件擴展，最終導致結構的大范圍破壞或者整體倒塌的現象。1995 年俄克拉何馬州發生了一起汽車爆炸事故，造成政府大樓底層柱發生破壞，引發上層結構接連失效，最終導致建筑迎爆面發生大面積連續倒塌[1]。2001 年紐約世貿中心雙子塔遭到了飛機撞擊導致建筑物的大規模倒塌[2]。發生事故時由于意外爆炸或沖擊載荷而破壞建筑物的關鍵部件，引發建筑結構局部甚至整體性倒塌，危害了人們的生命安全。該類型事故對建筑物造成大規模倒塌破壞，由此引起了國內外工程師們的關注。James T.Baylot[3]等通過試驗發現當炸藥在結構柱附近引爆時，非結構外墻的存在會影響結構柱上的載荷，模擬結果表明雖然外墻很快就失效了，但它仍然影響柱子上的載荷和結構的壓力。Hao[4]等將靜態凝聚納入有限元模型的一種新的數值方法中, 通過數值模擬的方式研究了一6 層鋼筋混凝土結構在爆炸荷載作用下的破壞情形，進而檢驗其方法的可行性。Tonatiuh Rodriguez-Nikl[5]等研究發現防止結構連續倒塌的措施包括保護柱等關鍵元件。進行了九項測試來評估典型柱的竣工性能以及碳纖維護套在提高其性能方面的有效性。測量了載荷-撓度曲線，觀察到破壞模式從脆性剪切轉變為延性彎曲，并增加了柱的負載和位移能力。何慶鋒[6]等對鋼筋混凝土柱爆炸時動力結構響應和斷裂形態進行數值模擬，研究表明：塑性變形區和彈性變形區分別建模并采用整體模型，保證了數值模擬在鋼筋混凝土柱爆破過程中的真實性和適用性。Tonatiuh Rodriguez Nikl[7]等模擬鋼筋混凝土構件在炸藥試驗情況下，其發生斷裂的破壞形態。賈明明[8]等考慮產生破壞的不確定因素，其中包括活荷載以及鋼筋混凝土的參數等。采用改進的拉丁超立方體抽樣方法，根據靜態和動態收縮柱的工作條件，對鋼筋混凝土填充墻體結構進行了脆弱性分析。王少杰[9]等分別研究了鋼筋混凝土框架結構在拆除中心柱、側柱、側柱和內柱條件下的連續倒塌靜力強度。

從上述文獻中，大致總結出來在目前倒塌領域研究分析的兩種方法。一種是交替傳力路徑法，又稱拆除構件法，即從去除結構的重要構件開始，然后對可產生連續倒塌進行模擬分析。雖然拆卸方法的特點是分析過程簡單，它只考慮關鍵部件的移除，而不考慮其失效的原因，并存在一些缺陷;另一種方法是直接模擬法，或者稱之為直接動力法，它考慮了結構連續倒塌的原因。直接模擬法模擬了爆炸爆轟使構件之間產生相互作用，進而導致建筑物發生破壞甚至出現連續倒塌現象。通過放置爆炸點，將其在實際生活中可能發生的爆炸事故情景再現。因此，相對而言直接動力法在模擬爆炸、沖擊或地震引起的建筑結構連續倒塌時更加準確可靠。

本研究采用直接模擬法對爆炸荷載下的3 層框架結構進行數值分析，基于ANSYS/LS-DYNA 有限元軟件，根據結構的實際情況建立了該建筑的實體模型。我們將模擬爆炸的傳播過程，分析結構在不同爆炸當量下的破壞方式和連續倒塌機理，并探究導致結構連續倒塌的爆炸載荷范圍。

1 模型建立

1.1 結構模型

該結構總高9.0 m，x、y 方向各兩跨，跨度為4.0 m。梁、板、柱構件均采用鋼筋混凝土材料，其中混凝土強度等級為C30，柱上有4 根縱向鋼筋，梁上有4 根縱向鋼筋。樓板厚為100 mm。選取梁板柱構件的鋼筋參數，見表1。柱的截面為0.3 m ×0.3 m，梁的截面為0.2 m ×0.3 m，樓板截面為4 m×4 m。混凝土、鋼筋材料各參數，見表2。

表1 梁板柱構件鋼筋參數

表2 混凝土和鋼筋材料參數

利用大型有限元通用軟件ANSYS/LS-DYNA 建立結構的計算模型，對鋼筋混凝土梁、柱、樓板和鋼筋逐一建模，使得計算模型更為準確。在結構的三維有限元模型中，分別將混凝土和鋼筋設置為Solid 164 實體單元和Beam 161 梁單元并進行模擬。地面采用Shell 163 殼單元，視其為沒有彈性的剛性體構件。y軸第一跨度的柱、梁、樓板和地板構件的尺寸為50 mm, y 軸第二跨度的樓板構件的尺寸為100 mm。通過軟件建立了結構的有限元計算模型，見圖1。

圖1 有限元計算模型

1.2 材料模型

用MAT_CONCRETE_DAMAGE 模擬分離建模區域的混凝土， 混凝土材料的失效應變用MAT_ADD_EROSION 進行模擬。 地面使用MAT_RIGID 模型模擬。鋼筋采用 MAT_PLASTIC_KINEMATIC 彈塑性材料模型進行數值模擬。采用CONTACT_AU_TOMAATIC_SINGLE_SURFACE 接觸分析模型模擬鋼筋混凝土構件與剛性地面的相互作用。

1.3 施加爆炸荷載

在ANSYS/LS-DYNA 中，爆炸加載應用程序提供內 置 關 鍵 字 *LOAD_BLAST_ENHANCED 和*LOAD_BLAST_SEGMENT。兩者的結合允許根據TNT當量和與目標的距離自動將TNT 轉換為單位表面的動態載荷，然后模擬爆炸的影響。在施加爆炸荷載的時候，只考慮爆炸荷載對結構關鍵構件造成破壞，連續倒塌也是在關鍵構件破壞的基礎上衍生的現象。

施加爆炸荷載之前，首先在80 ms 內將自重和活荷載逐漸施加在結構構件上，通過這種方式使結構處于穩定平衡狀態。在t=80 ms 的瞬間對結構施加爆炸載荷，控制運算時程為1 000 mm,探究結構整個連續坍塌的過程。假定炸藥位于中柱Z2 y 軸負向3 m，離地面高度2 m 位置處。炸藥用量分別為150 kg、200 kg 和250 kg。

2 結構連續倒塌分析

2.1 數值模擬圖像分析

對于150 kg 的TNT，框架沒有發生明顯的損壞。在150 kg TNT 爆炸作用下，框架梁和柱的應力一般處于彈性極限，接著進入塑性狀態。底層框架柱Z2 發生較大的塑性變形，結構柱在爆炸后仍然能抵抗上層建筑的垂直力，見圖2。

圖2 150 kg TNT 爆炸發生1000 ms 后結構有效塑性應變分布云圖

對于200 kg 的TNT，框架產生局部破壞。研究發現該結構主要是一層框架的梁產生破壞，但框架結構并沒有發生坍塌。中間的縱梁受到扭轉作用，導致它所附著的梁出現下垂，并且在框架的下部可以觀察到局部拉伸斷裂現象，見圖3。

圖3 200 kg TNT 爆炸發生1 000 ms 后結構有效塑性應變分布云圖

對于250 kg 的TNT，可以發現框架結構在之前發生局部破壞的基礎上柱子連接處發生斷裂，混凝土樓板與柱連接端發生剝離，結構出現局部倒塌現象，見圖4。

圖4 250kg TNT 爆炸發生1000 ms 后結構有效塑性應變分布云圖

上述分析結果表明: 整體框架結構具有良好的防爆性能，能承受200 kg 及以下TNT 當量的外部爆炸攻擊。然而，當超過200 kg TNT 的爆炸時，結構發生局部破壞，甚至產生連續倒塌的現象。

當爆炸量為250 kg 時，爆炸發生后在典型代表時刻（120 ms、400 ms、700 ms 和1 000 ms）相關結構的倒塌情況云圖，見圖5。在圖中可以觀察到關鍵柱子及相鄰構筑物的破壞和崩塌過程。一是上層柱子的底部和屋頂在爆炸荷載的作用下發生剪切破壞; 在重力作用下上層建筑會向下移動，各層樓板在爆炸的荷載和重力作用下會脫落。隨后，連接各層支柱的橫梁在軸向壓力下造成嚴重破壞。最后，由于柱子失去承載力，上層建筑倒塌，其周圍的一些梁和板也隨之破壞，導致柱子的混凝土斷裂，鋼筋彎曲，結構發生局部連續倒塌現象。

圖5 250 kg TNT 爆炸作用下鋼筋混凝土結構不同時刻連續倒塌示意圖

2.2 首層柱頂數值分析

在整個爆炸模擬過程中，由于柱所受的爆炸載荷總是與其內力的變化相同，因此柱的位移和速度也是同步的。從圖中可以看出，結構在80 ms 時間內處于穩定平衡狀態，當爆炸當量在150 kg 時，其關鍵柱Z2的首層柱頂處y 向水平速度以及y 向水平位移在0 附近上下出現微小浮動，因為此時該柱遭受爆炸影響較小。當爆炸當量在200 kg 時，發現關鍵柱Z2 的首層柱頂處y 向水平速度與位移在700 ms 范圍內并沒有發生明顯變化，在700 ms～1 000 ms 之間，速度與位移稍幅上漲。當爆炸當量在250 kg 時，發現關鍵柱Z2的首層柱頂處y 向水平速度與位移在500 ms 范圍內并沒有產生明顯變化，在500 ms～1 000 ms 之間，速度與位移指數式急劇上升，速度和位移峰值分別為1.5 mm·ms-1和360 mm，可以初步判斷該爆炸藥量已導致結構產生明顯破壞甚至倒塌。通過數據分析處理得到Z2 首層柱頂水平y 向位移與速度的時程曲線，見圖6。

圖6 首層柱頂的y 向水平速度與位移時程曲線

結構首先經歷80 ms 的靜力平衡狀態，在80 ms開始爆炸發生后即開始發生豎向位移。在三種爆炸當量情況下，爆炸發生的30 ms 內，關鍵柱Z2 首層柱頂速度急速加劇，達到各自的速度峰值，然后迅速回落。由圖可知，當TNT 取值為150 kg 時，雖說結構在爆炸瞬間速度達到0.8 mm/ms-1，之后速度急速回落，250 ms 時刻稍有波動，在之后的時程當中速度相對穩定一直保持在0 附近小范圍浮動，其豎向位移也只產生小變化，該柱遭受爆炸較小，沒有發生明顯的破壞，足以支撐上部結構，在整個爆炸時程中，結構依然保持穩定，處于安全狀態。當TNT 取值為200 kg 時，爆炸發生的30 ms 內，關鍵柱Z2 首層柱頂速度急速加劇，達到峰值速度1.4 mm/ms-1，隨即速度急速回落，在300 ms 時刻，又出現了速度上升的階段，一直達到2.2 mm/ms-1，此時Z2 柱端與柱腳混凝土產生局部壓潰，由此引發上層結構在重力荷載的作用下產生豎向位移，但是并不影響結構的安全性能，依然能夠繼續為上層構件提供一定的支撐力。當TNT 取值為250 kg 時，爆炸發生的30 ms 內，關鍵柱Z2 首層柱頂速度急速加劇，達到峰值速度1.7 mm/ms-1，隨即速度急速回落，在300 ms 時刻，又出現了速度上升的階段，一直達到3.3 mm/ms-1，其豎向位移一直呈指數式形式增加，整個模擬過程中達到位移峰值1 600 mm，其底部的混凝土發生破壞，上部結構發生連續倒塌。通過數據分析處理得Z2 柱首層柱頂豎向速度和豎向位移時程曲線，見圖7。

通過比較圖6 與圖7 中不同TNT 當量對應的速度與位移時程曲線，可知在爆炸當量控制為200 kg時，爆炸荷載開始時首層柱頂產生的y 向與豎向位移較小，結構并沒有外部爆炸荷載作用產生連續倒塌現象。通過進一步增加TNT 當量為250 kg 時，解讀數據發現在接近1 000 mm 時刻首層柱頂y 向和豎向速度一直處于攀升狀態，并且沒有減緩的跡象，同步產生的位移也不斷增加。由此可知此時底層中柱已產生大規模破壞，帶動整體結構發生連續倒塌的現象。

圖7 首層柱頂的豎向速度與位移時程曲線

3 結論

本研究采用直接模擬法對爆炸荷載作用下某3層混凝土框架結構進行了數值模擬分析，探討了不同爆炸當量下結構的狀態，得到如下結論。

（1） 采用直接動力法分析了爆炸荷載作用下建筑結構發生連續倒塌情況，使用ANSYS/LS-DYNA 對結構進行爆炸仿真模擬，不僅保證了其計算精度，并且大幅度提高計算效率，在建模與后期數據處理環節起到了至關重要的作用。

（2） 在模擬爆炸情況下，通過改變TNT 炸藥量可以產生不一樣的預期效果，在發生200 kg TNT 當量及以下規模的爆炸時，關鍵柱沒有發生破壞，主體結構仍然能夠保證其在可控范圍內的安全性；在發生200 kg TNT 當量以上規模爆炸時，關鍵柱產生破壞，隨之周圍梁柱樓板構件在爆破荷載作用發生塌落局部破壞，最后發生連續倒塌現象。