董子健

20世紀(jì)90年代以來,恐怖襲擊有在全球范圍內(nèi)迅速蔓延的嚴(yán)峻趨勢(shì)。爆炸事件頻繁發(fā)生,隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,越來越多國際化大都市的出現(xiàn),越來越多的重要建筑物都可能成為恐怖分子制造恐怖事件的理想場(chǎng)所和重點(diǎn)目標(biāo)。為了抵御恐怖爆炸襲擊的破壞,提高建筑物的抗爆性能成為現(xiàn)在當(dāng)務(wù)之急的措施之一?？贡芯恐饕性诒ㄗ饔迷?、材料動(dòng)態(tài)本構(gòu)關(guān)系、構(gòu)件抗爆性能、整體結(jié)構(gòu)連續(xù)性倒塌和建筑物的抗爆防護(hù)措施等方面,然而,鋼筋混凝土柱作為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的重要受力構(gòu)件,其承載能力往往關(guān)系整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全性。所以對(duì)柱進(jìn)行抗爆研究,提高其抗爆性能,具有重要意義。

1 有限元模型的建立

1.1 材料參數(shù)

炸藥采用HIGH-EXPLOSIVE-BURN模型,JWL狀態(tài)方程如下,有關(guān)參數(shù)見表1。

表1 TNT炸藥模型材料參數(shù)

空氣采用NULL材料模型以及LINEAR-POLYNOM IAL狀態(tài)方程加以描述。線性多項(xiàng)式狀態(tài)方程為:

其中,P為壓力;V為相對(duì)體積;E為單位體積內(nèi)能。

鋼筋本構(gòu)模型采用LSDYNA中的三號(hào)材料模型,即隨動(dòng)強(qiáng)化模型,關(guān)鍵字為*MAT-PLASTIC-KINEMATIC。

混凝土本構(gòu)模型采用H-J-C模型。

1.2 單元選擇

混凝土單元采用SOLID164,LS-DYNA定義單元算法的關(guān)鍵字段成為*SECTION-SOLID-ALE。鋼筋單元采用Beam161梁?jiǎn)卧?算法公式采用Hoghes-Liu梁?jiǎn)卧?/p>

1.3 計(jì)算模型

計(jì)算模型見圖1,圖2。根據(jù)爆炸沖擊荷載的特點(diǎn),取三種典型爆炸沖擊波進(jìn)行分析,如表2所示。

表2 RC柱加載情況表

2 計(jì)算分析

2.1 不同炸藥量對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響

取4種炸藥當(dāng)量19.7 kg,30.50 kg,45.5 kg,83.7 kg,從圖3中可以看出,當(dāng)炸藥量增大,柱中點(diǎn)X向位移和殘余位移均顯著增大,主要是因?yàn)闆_擊波反射峰壓隨炸藥量的增加而增大。位移最大值—炸藥當(dāng)量曲線呈現(xiàn)二次曲線形態(tài),這主要是由RC柱抗側(cè)剛度的非線性引起的。

2.2 不同炸藥距離對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響

將炸藥當(dāng)量固定為83.7 kg,其余不變。圖4給出了不同距離下RC柱中點(diǎn)X向的位移時(shí)程曲線圖。當(dāng)爆炸距離從5 m增加到8 m,柱中位移從8.4 cm降低到1.0 cm,由此說明爆炸距離也是構(gòu)件的動(dòng)力響應(yīng)的主要因素。

2.3 不同混凝土軸心抗壓強(qiáng)度對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響

對(duì)混凝土強(qiáng)度分別為20 MPa,25MPa,30 MPa,40 MPa的RC柱在工況3-1爆炸荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行分析,見圖5。

混凝土強(qiáng)度從C20增加到C30時(shí),RC柱中點(diǎn)的X向最大位移和殘余位移下降有限,但到C40時(shí)殘余位移較C30就顯著下降。這個(gè)主要是因?yàn)閺腃20～C30,RC柱在爆炸荷載下均發(fā)生剪切破壞,混凝土強(qiáng)度的增長對(duì)其抗爆性能的提高影響有限。

2.4 不同軸壓比對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響

在較小爆炸荷載下保持其他參數(shù)不變,僅僅改變軸壓比,RC柱中點(diǎn)X方向位移時(shí)程曲線如圖6所示。

當(dāng)柱子軸力較小時(shí),相當(dāng)于給了混凝土構(gòu)件一個(gè)預(yù)壓力,可以有效推遲混凝土受拉區(qū)單元在爆炸荷載下的破壞,從而提高了混凝土的抗爆性能。

3 結(jié)語

1)提出一種新的簡(jiǎn)化計(jì)算模型,其考慮了柱周圍構(gòu)件的約束作用,分析結(jié)果具有較高的計(jì)算精度;2)影響鋼筋混凝土柱動(dòng)力響應(yīng)最大的外部因素是爆炸距離,因此,防爆最重要的措施是保證建筑的安全距離;3)提高混凝土軸心抗壓強(qiáng)度可以顯著降低鋼筋混凝土柱在爆炸荷載下的柱中水平位移;4)當(dāng)爆炸荷載較小時(shí),軸壓比對(duì)鋼筋混凝土柱的抗爆性能有很大影響,當(dāng)軸壓比低于0.5時(shí),其對(duì)柱的抗爆性能有利,當(dāng)軸壓比大于0.5時(shí),則容易導(dǎo)致柱因中部混凝土壓碎而破壞。

[1]Baker,W.E..Explosion in air.University of Texas Press,Austin,Texas,1973.W.E[M].江 科,譯.北京:原子能出版社,1982.

[2]LS-DYNA Version 971.Livermore Software Technology Corporation,2006.

[3]魏雪英,白國良.爆炸荷載下鋼筋混凝土柱的動(dòng)力響應(yīng)及破壞形態(tài)分析[J].解放軍理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2007,8(5):524-529.

[4]T.D.Ngo,P.A.Mendis Behavior of high-strength concrete columns subjected to blast loading.University of Melbourne,Australia.

[5]方 秦,陳 力,張亞棟,等.爆炸荷載作用下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)與破壞模式的數(shù)值分析[J].工程力學(xué),2007(S2):43-46.