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        爆炸荷載作用下框架結(jié)構(gòu)的損傷機(jī)理研究

        2012-12-31 00:00:00夏謙焦元濤李京凱
        科技創(chuàng)新導(dǎo)報 2012年11期

        摘 要:爆炸荷載可能導(dǎo)致框架結(jié)構(gòu)出現(xiàn)連續(xù)倒塌,為研究結(jié)構(gòu)物整體的抗爆性能,本文采用AUTODYN對鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)在爆炸荷載作用下的破壞過程進(jìn)行了數(shù)值模擬,模型考慮了炸藥-空氣-結(jié)構(gòu)之間的流固耦合相互作用,分析了框架結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)理,模擬結(jié)果較合理地展現(xiàn)了框架結(jié)構(gòu)的損傷過程。

        關(guān)鍵詞:爆炸荷載 沖擊波 峰值超壓 框架結(jié)構(gòu) 數(shù)值模擬

        中圖分類號:TU7文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1674-098X(2012)04(b)-0013-02

        國內(nèi)外爆炸事件的頻繁發(fā)生,以及其帶來的大量人員傷亡和財產(chǎn)損失,使研究人員和工程設(shè)計人員對建筑結(jié)構(gòu)抗爆性能的研究越來越多,但大多數(shù)研究局限于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件,如梁、板和柱等在爆炸荷載作用下的動力響應(yīng)及損傷機(jī)理,對于整體框架結(jié)構(gòu)的損傷破壞方面的研究較少。本文運用AUTODYN軟件對爆炸荷載作用下框架結(jié)構(gòu)的損傷過程進(jìn)行了數(shù)值模擬,分析了結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)理,以期為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗爆性能評估及抗爆防護(hù)提供參考。

        1 數(shù)值模型

        根據(jù)實際尺寸建立鋼筋混凝土框架的有限元數(shù)值分析模型,層高4.0m,長度方向柱距6.0m,鋼筋混凝土柱截面尺寸為400mm×400mm,梁截面尺寸為200mm×500 mm,柱腳假設(shè)固接于地面。鋼筋混凝土框架采用整體式模型,用Lagrange網(wǎng)格進(jìn)行模擬,單元總數(shù)為262,600;空氣采用Euler-FCT算法,單元數(shù)為168,000,空氣邊界面設(shè)為物質(zhì)流出。在建模時將結(jié)構(gòu)簡化,忽略外圍護(hù)結(jié)構(gòu)對倒塌模擬的影響。炸藥采用當(dāng)量TNT,爆心位置距長度方向中間柱外邊緣1.0m,距地面高度1.0m。

        2 材料模型

        2.1 空氣的材料模型

        在數(shù)值模擬中,通常將空氣假定為理想氣體,其性能一般采用線性多項式的狀態(tài)方程來描述,根據(jù)Gama準(zhǔn)則,其可以表示為: (1)

        式中:P為氣體壓力,是比熱比,ρ表示空氣的當(dāng)前密度,是初始時刻的空氣密度,E為氣體單位體積的內(nèi)能。

        2.1 炸藥的材料模型

        對于不同炸藥爆炸的數(shù)值模擬,一般采用經(jīng)驗的Jones-Wilkins-Lee,即JWL狀態(tài)方程來描述炸藥爆轟過程中壓力和內(nèi)能及其相對體積的關(guān)系[8],

        (2)

        式中:P為爆炸產(chǎn)生的壓力;V為單位體積裝藥產(chǎn)生的爆轟產(chǎn)物的體積,即壓力為P時的體積與初始體積的比值;E是爆轟產(chǎn)物單位體積的內(nèi)能;A,B,R1,R2和ω是由相關(guān)爆炸實驗來確定的材料常數(shù)。對于TNT炸藥,密度為1630kg/m3,單位體積的內(nèi)能為6.0×109J/m3,其相關(guān)參數(shù)為,A=3.737×102GPa,B=3.747 GPa,R1=4.15,R2=0.9,ω=0.35。

        2.3 鋼筋混凝土的材料模型

        一般鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋布置密集,建立鋼筋與混凝土材料的分離模型較為復(fù)雜,而且由于計算機(jī)能力的限制,建立分離式模型將導(dǎo)致單元數(shù)目過大而無法計算,因此采用整體式模型建立框架結(jié)構(gòu)。在整體式模型中,將鋼筋彌散于整個單元中,并把單元看作為連續(xù)均勻材料,通過提高混凝土的抗拉強(qiáng)度來增加單元整體的抗拉性能。材料本構(gòu)關(guān)系采用Von-Mises屈服準(zhǔn)則,具體參數(shù)見表1。

        3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

        爆炸沖擊波的殺傷和破壞作用主要取決于峰值超壓的大小及持續(xù)時間,也就是爆炸沖擊波的沖量大小。分別在1~3層柱子中間定義測點1、測點2和測點3,如圖3(a)所示,得到迎爆面柱子各測點上的超壓時程曲線,由圖1可知,峰值超壓衰減迅速,僅能影響有限范圍內(nèi)的柱子,這跟炸藥量的大小和爆心的位置有關(guān)。圖2為頂層樓面中心的豎向振動速度,由圖可知,頂層樓面在爆炸沖擊波的作用下向下運動,出現(xiàn)向下的位移。

        圖3(a-f)顯示了鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的破壞過程,分別為0,4,10,20,30,40ms時的損傷圖。爆炸剛發(fā)生時,靠近爆心的底層柱在強(qiáng)大的爆炸沖擊波作用下,首先在柱腳和柱頂發(fā)生混凝土的沖剪破壞,隨著柱子端部約束的減弱,上層樓板失去支撐,梁板構(gòu)件產(chǎn)生應(yīng)力重分布,使樓板裂縫增多,由于底層柱破壞最嚴(yán)重,導(dǎo)致第二層樓板破壞較嚴(yán)重,其余各層損傷程度較輕;爆炸沖擊波結(jié)束后,在慣性作用下結(jié)構(gòu)繼續(xù)發(fā)生位移,部分承重柱的失效導(dǎo)致結(jié)構(gòu)重心偏移,建筑物整體在自重作用下破壞加劇,上層樓板相繼在薄弱位置出現(xiàn)裂縫。因此,承重柱的抗爆性能直接影響整體結(jié)構(gòu)的破壞,應(yīng)加強(qiáng)柱子上下兩端特別是柱腳的抗沖切能力,防止柱端首先發(fā)生失效,避免結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌。

        4 結(jié)語

        本文采用AUTODYN軟件對爆炸荷載作用下鋼筋混凝土框架的動力響應(yīng)及破壞機(jī)理進(jìn)行了數(shù)值模擬分析,結(jié)果表明,鋼筋混凝土框架在爆炸荷載作用下,底層柱兩端在爆炸荷載作用下首先發(fā)生沖剪破壞,使柱上樓板失去支撐,柱上梁板構(gòu)件間產(chǎn)生應(yīng)力重分布,引起結(jié)構(gòu)重心偏移,建筑物整體在自重作用下破壞。

        參考文獻(xiàn)

        [1] XU Kai,LU Yong.Numerical simulation study of spallation in reinforced concrete plates subjected to blast loading. Computers Structures,2005.

        [2] 閻石,王丹,張亮,孫靜.爆炸荷載作用下鋼筋混凝土柱損傷FEM分析[J].工程力學(xué),2008.

        [3]龔順風(fēng),金偉良,何勇.內(nèi)部爆炸荷載作用下鋼筋混凝土板的動力響應(yīng)研究[J].振動工程學(xué)報,2008.

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