張秀華　高珊

（東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱　150040）

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爆炸荷載作用下壓型鋼板組合樓板的破壞模式

張秀華高珊

（東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150040）

摘要：利用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA，采用流固耦合的計(jì)算方法，對(duì)壓型鋼板組合樓板在爆炸荷載作用下進(jìn)行了不同工況的數(shù)值模擬，得出壓型鋼板組合樓板的不同破壞模式，數(shù)值結(jié)果分析表明：在不同的工況下，壓型鋼板組合樓板可能發(fā)生彎曲、剪切、彎剪聯(lián)合三種破壞，破壞模式與比例距離有關(guān)，隨著比例距離的增大，組合板的破壞減輕。

關(guān)鍵詞：壓型鋼板組合樓板，爆炸荷載，數(shù)值分析，破壞模式

0　引言

如今，隨著生活水平提高和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，很多的爆炸事件不斷在身邊發(fā)生，譬如恐怖襲擊爆炸，煤氣爆炸，化學(xué)品爆炸等，眾所周知的天津塘沽大爆炸事件就是典型的化學(xué)爆炸事件，全世界范圍內(nèi)都對(duì)爆炸事件產(chǎn)生警惕和重視?，F(xiàn)如今國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)在爆炸荷載情況下的構(gòu)件的響應(yīng)破壞有一些研究［1-6］，例如混凝土梁、鋼梁柱、混凝土板、大跨結(jié)構(gòu)等方向，還沒(méi)有對(duì)壓型鋼板組合樓板這種構(gòu)件的研究，因此文章采用LS-DYNA軟件數(shù)值模擬爆炸荷載作用下的壓型鋼板組合樓板，得出其不同的破壞模式。

1　有限元數(shù)值模型建立

1.1計(jì)算模型

壓型鋼板組合樓板板跨度為B，板長(zhǎng)度為l，樓板下部采用固定支撐，布置一層鋼筋網(wǎng)，TNT炸藥距樓板面正上方的距離為R，炸藥的等效TNT當(dāng)量為W，比例距離，計(jì)算模型如圖1所示。

1.2材料模型

本文鋼筋鋼板材料模型采用塑性隨動(dòng)強(qiáng)化模型，混凝土模型采用H-J-C模型［7］，空氣采用MAT_NULL材料模型，并且需要聯(lián)合線性多項(xiàng)式狀態(tài)方程來(lái)模擬，炸藥采用* MAT_HIGH_EXPLOSI VE_BURN材料模型，用JWL狀態(tài)方程來(lái)模擬。

1.3有限元模型

本文選用LS-DYNA軟件，應(yīng)用ALE（多物質(zhì)流固耦合）方法進(jìn)行爆炸的數(shù)值模擬，空氣、炸藥、混凝土單元均采用Solid164實(shí)體單元，鋼板單元采用Shell163殼單元，鋼筋采用Beam161梁?jiǎn)卧?。爆炸和?gòu)件分開(kāi)建模，邊界采用反射邊界條件，本文選用一種Erosion算法，通過(guò)控制混凝土和鋼材的應(yīng)變來(lái)判定材料的失效，炸藥和組合板的有限元網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖2。

圖1　計(jì)算模型及樓板尺寸

2　爆炸荷載作用下壓型鋼板組合樓板的破壞模式

2.1工況介紹

數(shù)值分析計(jì)算時(shí)，炸藥的等效TNT當(dāng)量為30 kg，板長(zhǎng)l = 3 m，寬度為0. 6 m，板厚3 mm，兩端簡(jiǎn)支。選取6組工況：TNT炸藥距樓板正上方的距離分別為R =0. 5 m，1 m，2 m，3 m，4 m，5 m，即比例距離分別為Z = 0. 14 m/kg1/3，Z = 0. 28 m/kg1/3，Z = 0. 56 m/kg1/3，Z =0. 84 m/kg1/3，Z =1. 32 m/kg1/3，Z =1. 4 m/kg1/3，鋼筋為HPB300，壓型鋼板為Q345。鋼筋采用10@ 250，混凝土采用C50。

2.2破壞模式

一般在靜態(tài)荷載作用下，即荷載作用時(shí)間較長(zhǎng)，構(gòu)件容易發(fā)生彎曲破壞；在沖量荷載下，即荷載持續(xù)時(shí)間較短的荷載，構(gòu)件容易發(fā)生剪切破壞；在動(dòng)力荷載下，構(gòu)件容易發(fā)生彎曲剪切耦合破壞。

判斷依據(jù)為：當(dāng)受拉鋼筋被拉斷及壓區(qū)混凝土被壓碎時(shí)，就表示該單元發(fā)生了彎曲破壞；支座附近或其他單元的平均剪應(yīng)力達(dá)到極限剪應(yīng)力時(shí)，就代表該單元發(fā)生了剪切破壞。經(jīng)過(guò)幾組工況的數(shù)值模擬，得出壓型鋼板在爆炸荷載作用下共有三種破壞模式，如圖3～圖5所示。

圖3　剪切破壞模式圖

圖4　彎曲剪切破壞模式圖

圖5　彎曲破壞模式圖

如圖3所示，該工況為比例距離Z =0. 14 m/kg1/3時(shí)的破壞模式，爆炸荷載超壓峰值較大，持續(xù)時(shí)間較短，支座處受到的力遠(yuǎn)大于支撐力，受到的剪應(yīng)力大于極限應(yīng)力，因此支座處的混凝土和鋼板單元很快完全失效，跨中由于受到?jīng)_擊波的壓力，少量混凝土被壓碎，板從支座處掉落下去，屬于剪切破壞。

如圖4所示，該工況為比例距離Z = 0. 28 m/kg1/3，Z = 0. 56 m/kg1/3，Z =0. 84 m/kg1/3時(shí)的破壞模式，支座附近有部分混凝土和鋼板單元剪應(yīng)力超過(guò)極限強(qiáng)度，跨中混凝土受到爆炸波的壓力大部分被壓碎失效，鋼板跨中出現(xiàn)大的彎曲變形，屬于彎曲剪切聯(lián)合破壞。

如圖5所示，該工況為比例距離Z = 1. 32 m/kg1/3，Z = 1. 4 m/kg1/3時(shí)的破壞模式，混凝土幾乎沒(méi)有破碎，鋼筋產(chǎn)生彎曲變形，鋼板也同樣產(chǎn)生彎曲變形，但是沒(méi)有達(dá)到其屈服應(yīng)力，沒(méi)有脆性破壞，屬于彎曲破壞。

由以上分析可知，壓型鋼板組合樓板的破壞模式和比例距離有關(guān)，隨著比例距離的增加，跨中峰值位移隨著減小，破壞模式由剪切破壞變?yōu)閺澢茐?，因此?yīng)多關(guān)注比例距離小的工況，進(jìn)而優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出更好的抗爆方法。

3　結(jié)語(yǔ)

1）應(yīng)用LS-DYNA軟件可以很好的模擬爆炸荷載作用下的壓型鋼板組合樓板，減小計(jì)算量且提高安全性。通過(guò)模擬得出其在不同工況下的受力變形模態(tài)，分為三種破壞模式，分別為：剪切破壞、彎曲剪切聯(lián)合破壞、彎曲破壞。

2）通過(guò)數(shù)值模擬不同工況，得出了不同的破壞模式，分析發(fā)現(xiàn)破壞模式和比例距離有關(guān)，隨著比例距離的增大，破壞模式由剪切破壞變?yōu)閺澢茐?，比例距離越大，破壞程度越小。

3）比較幾種破壞模式，破壞較為嚴(yán)重的地方為支座處，支座處由鋼板和混凝土共同工作，所以應(yīng)考慮對(duì)支座處和整體進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)于在爆炸作用下的組合板減小破壞以及提高安全性仍需要進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)：

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Failure mode of profiled steel-concrete composite slab under blast load

Zhang Xiuhua Gao Shan
（College of Civil Engineering，Northeast Forestry University，Harbin 150040，China）

Abstract：Using finite element software ANSYS/LS-DYNA，using the calculation method of fluid-structure interaction，of profiled steel-concrete composite slab under explosion load on the numerical simulation of different working conditions，it is concluded that different failure modes of the pressed steel composite floor slab，the numerical results show that under different conditions，the composite floor slab steel sheet may be three kinds of damage：bending，shear，bending shear joint destruction，failure mode and proportion of distance，with the increase of proportion of distance，the destruction of the composite slab.

Key words：profiled steel-concrete composite slab，blast load，numerical analysis，failure mode

中圖分類號(hào)：TU312. 3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-6825（2016）09-0041-02

收稿日期：2016-01-15

作者簡(jiǎn)介：張秀華（1970-），女，副教授；高珊（1990-），女，在讀碩士