張世雄

鋼筋和混凝土作為構(gòu)成混凝土結(jié)構(gòu)的最重要的兩種材料,它們之間粘結(jié)滑移無疑是影響結(jié)構(gòu)抗爆性能的因素之一。已有的數(shù)值模擬絕大多數(shù)都假定鋼筋和混凝土之間完全粘結(jié),不會(huì)發(fā)生滑移現(xiàn)象。這一假定使結(jié)構(gòu)剛度增大,與實(shí)際不符。

1 鋼筋與混凝土之間粘結(jié)滑移的模擬

鋼筋與混凝土之間粘結(jié)滑移的數(shù)值模擬可近似分為:1)定義接觸;2)在鋼筋與混凝土之間插入沒有物理厚度的粘結(jié)滑移單元。文中采用LS-DYNA中的一維滑移線來定義鋼筋與混凝土之間的接觸,從而近似模擬鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)滑移。一維滑移線用關(guān)鍵字*CONTACT_1D來定義,其中把附著在鋼筋單元上的一系列在同一直線上的節(jié)點(diǎn)稱為從節(jié)點(diǎn),在同一位置但附著在混凝土單元上的一系列在同一直線上的節(jié)點(diǎn)稱為主節(jié)點(diǎn),把這一直線稱為主線,從節(jié)點(diǎn)被迫沿著主線滑動(dòng)。在從節(jié)點(diǎn)和相對(duì)應(yīng)的主節(jié)點(diǎn)之間插入虛擬的彈簧,粘結(jié)力由彈簧提供,見圖1。

當(dāng)鋼筋與混凝土在發(fā)生相對(duì)滑移且損傷累積不考慮時(shí),可假定混凝土與鋼筋之間的粘結(jié)滑移是理想彈塑性的;但當(dāng)損傷累積考慮在內(nèi)時(shí),可假定在彈性區(qū)域,粘結(jié)力與彈性滑移量成正比關(guān)系;在塑性區(qū)域,隨著塑性滑移量的增加,粘結(jié)力呈指數(shù)衰減,見圖2。

粘結(jié)剪切應(yīng)力與滑移之間的關(guān)系可以用下式表示:

其中,GS為粘結(jié)剪切模量;Smax為最大彈性滑移量;hdmg為曲線損傷參數(shù);D為塑性位移的絕對(duì)值。

2 計(jì)算模型

爆炸荷載參數(shù)見表1。混凝土采用H-J-C模型,考慮了應(yīng)變率的影響,RC柱軸心抗壓強(qiáng)度采用42 MPa。鋼筋采用*Mat_Plastic_Kinematic材料模型,縱筋采用 HRB335,直徑為20 mm,箍筋采用HPB235,直徑為8 mm。柱參數(shù)見表 2。

表1 爆炸荷載參數(shù)表

表2 RC柱參數(shù)表

假設(shè)RC柱縱筋圓心到混凝土柱表面的距離為40 mm,為了更合理地分析RC柱的鋼筋周圍的動(dòng)力響應(yīng),鋼筋周圍的網(wǎng)格劃分相對(duì)較密,在RC柱截面四個(gè)角部采用20 mm×20 mm的網(wǎng)格,柱截面中部網(wǎng)格相對(duì)較粗,網(wǎng)格大小為30 mm×30 mm,其他采用20 mm×30 mm的網(wǎng)格,高度方向上網(wǎng)格長(zhǎng)度為50 mm。

3 計(jì)算分析

3.1 爆炸荷載作用下箍筋間距的影響分析

柱截面尺寸、混凝土及鋼筋強(qiáng)度不變,取不同箍筋配筋率如表3所示。

表3 混凝土柱模型分類表

柱兩端的箍筋對(duì)RC柱抗爆性能有較大影響,柱端箍筋間距縮小,可以有效提高RC柱的抗爆性能;柱中部箍筋對(duì)RC柱抗爆性能影響相對(duì)較小;箍筋間距的縮小可以減小柱中最大水平位移。

3.2 爆炸荷載作用下縱筋配筋率的影響分析

其余參數(shù)均不變,取不同縱筋配筋率,如表4所示。

表4 混凝土柱模型分類表

縱筋配筋率的提高對(duì)RC柱的抗爆性能有較大影響,隨著縱筋配筋率的提高,柱中水平位移明顯減小,這也就意味著RC柱抗爆性能顯著提高。

3.3 爆炸荷載作用下軸壓比的影響分析

其余參數(shù)均不變,取不同軸壓比,如表5所示。

表5 混凝土柱模型分類表

軸壓比對(duì)RC柱的抗爆性能有很大的影響。當(dāng)柱承受軸力較小時(shí),相當(dāng)于給了混凝土構(gòu)件一個(gè)預(yù)壓力,可以有效提高混凝土受拉區(qū)單元的抗拉應(yīng)力,當(dāng)RC柱發(fā)生彎曲破壞時(shí),一般為混凝土受拉區(qū)被拉壞,因此施加較小軸力可以適當(dāng)提高混凝土的抗破壞性能;而當(dāng)軸壓比較大,隨著軸力的增大,跨中混凝土受壓區(qū)單元承載了過高的軸向壓應(yīng)力,而當(dāng)爆炸荷載施加時(shí),由于構(gòu)件的彎曲變形,其跨中受壓區(qū)混凝土單元壓應(yīng)力進(jìn)一步增大,有可能先于受拉區(qū)混凝土單元達(dá)到破壞,柱中受壓區(qū)混凝土壓碎而破壞;當(dāng)軸壓比繼續(xù)增大時(shí),混凝土由于其應(yīng)力接近極限值,在外力爆炸荷載作用下,RC柱跨中大部分區(qū)域均發(fā)生受壓區(qū)混凝土破壞。

3.4 爆炸荷載作用下爆炸距離的影響分析

爆炸荷載作用下爆炸距離的影響分析見圖3。

由此可見,對(duì)于爆炸荷載,隨著爆炸距離的增加,柱中最大水平位移明顯減小,這也就意味著柱受到的損傷明顯減小,且這種減小不是線性的,而是指數(shù)衰減的,爆炸距離相對(duì)較小時(shí),距離的變化引起的衰減較快,而當(dāng)爆炸距離達(dá)到一定數(shù)值后,RC柱柱中最大水平位移值很小,衰減自然就慢。

3.5 爆炸荷載作用下TNT當(dāng)量的影響分析

爆炸荷載作用下TNT當(dāng)量的影響分析見圖4。

由此可見,TNT當(dāng)量的大小對(duì)RC柱受到破壞程度有很大影響。TNT當(dāng)量越大,結(jié)構(gòu)受到破壞也越嚴(yán)重,而且在圖4中還可以看到隨著TNT當(dāng)量增加,柱中最大水平位移有增速的傾向。

4 結(jié)語(yǔ)

1)柱端箍筋間距減小,可以明顯提高RC柱的抗爆性能;柱中部箍筋對(duì)RC柱抗爆性能影響較小。2)提高縱筋配筋率可以有效提高其在爆炸荷載下的抗彎性能。3)隨著軸壓比的增大,RC柱的抗爆性能并不是單調(diào)提高或者單調(diào)降低的。軸壓比較小時(shí),對(duì)RC柱抗爆有利,但軸壓比較大時(shí),RC柱柱中混凝土在爆炸荷載的作用下容易被壓碎而發(fā)生破壞。4)炸藥的TNT當(dāng)量和爆炸距離對(duì)RC柱抗爆性能的影響尤為顯著,TNT當(dāng)量越大,爆炸距離越小,RC柱受到的破壞也越嚴(yán)重。

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

[2]過鎮(zhèn)海,時(shí)旭東.鋼筋混凝土原理和分析[M].北京:清華大學(xué)出版社,2003.

[3]TM 5-1300,The Design of Structures to Resist the Effects of Accidental Explosions.Technical Manual,US Department of the Army,Navy,and Air Force,Washington D C,1990.