王 淞， 劉筱玲

(西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院， 四川綿陽(yáng) 621010)

?

雙向支撐鋼筋混凝土板在爆炸荷載作用下破壞模式與影響因素分析

王 淞， 劉筱玲

(西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院， 四川綿陽(yáng) 621010)

文章利用LS-DYNA軟件對(duì)鋼筋混凝土板在爆炸荷載作用下的毀傷破壞進(jìn)行數(shù)值模擬研究,得到了鋼筋混凝土板在不同當(dāng)量的裝藥、爆距作用下發(fā)生不同的破壞模式。在此基礎(chǔ)上分析不同鋼筋混凝土抗壓強(qiáng)度、比例距離與板毀傷破壞程度之間的關(guān)系。研究結(jié)果表明:當(dāng)峰值壓力較大,作用時(shí)間較短時(shí)板主要發(fā)生剪切崩塌破壞;而在峰值壓力較小,作用時(shí)間較長(zhǎng)時(shí),鋼筋混凝土板主要發(fā)生中部彎曲破壞;隨著混凝土抗壓強(qiáng)度和比例距離的增加,板的破壞程度逐漸減小。研究結(jié)果可為以后工程應(yīng)用提供參考。

爆炸荷載; 鋼筋混凝土板; 數(shù)值模擬; 破壞模式

研究鋼筋混凝土梁、板、柱等結(jié)構(gòu)構(gòu)件及整個(gè)結(jié)構(gòu)在爆炸荷載作用下的破壞模式和抗爆性能，對(duì)于提高鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗爆安全性具有重要的理論意義和工程價(jià)值[1]。由于爆炸荷載具有傳播速度快、峰值大、作用時(shí)間短等特點(diǎn),爆炸沖擊荷載作用下鋼筋混凝土構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)十分復(fù)雜。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)鋼筋混凝土板在爆炸荷載作用下的動(dòng)力行為開展了一系列的研究。文獻(xiàn)[2]分析了鋼筋混凝土板在爆炸荷載作用下的剪切和彎曲失效;文獻(xiàn)[3]通過試驗(yàn)研究了纖維增強(qiáng)鋼筋混凝土板的抗爆性能；文獻(xiàn)[4-5]通過數(shù)值模擬研究了爆炸荷載作用下鋼筋混凝土板的破壞模式及破壞效應(yīng)。但是對(duì)于雙向支撐的鋼筋混凝土板破壞模式、損傷破壞響應(yīng)、建筑物不同構(gòu)件之間的相互作用對(duì)破壞程度的影響的研究較少。

本文對(duì)雙向支撐的鋼筋混凝土板在爆炸荷載作用下進(jìn)行數(shù)值模擬分析,得到鋼筋混凝土板在不同當(dāng)量的裝藥、爆距作用下發(fā)生不同的3種破壞模式。在此基礎(chǔ)上分析不同鋼筋混凝土抗壓強(qiáng)度、比例距離及爆點(diǎn)與毀傷破壞程度之間的關(guān)系。

1 有限元模型的建立

1.1 幾何模型

數(shù)值模擬計(jì)算采用CONWEP算法,通過Load-Blast爆炸加載方法模擬裝藥在不同位置爆炸對(duì)板的破壞情況。鋼筋混凝土板模型尺寸為8.5m× 7.5m×0.3m,雙向單層配筋方式，橫向和縱向配筋均為φ6HPB235，配筋間距為75 mm,平行鋼筋間隔0.16 m,其中鋼筋采用梁?jiǎn)卧?混凝土采用八節(jié)點(diǎn)六面體單元,網(wǎng)格尺寸為1 cm,邊界面設(shè)為物質(zhì)流出，鋼筋和混凝土接觸單元共用節(jié)點(diǎn)，界面的分離條件為一旦混凝土或鋼筋單元達(dá)到失效則計(jì)算時(shí)將其刪除，界面自動(dòng)分離。模型中采用侵蝕算法(Erosion)解決網(wǎng)格的大變形問題，有限元模型如圖1、圖2所示。

圖1 鋼筋混凝土板模型

圖2 爆炸沖擊模型

1.2 材料模型及參數(shù)的選取

本文采用鋼筋混凝土一體式模型,混凝土采用LS-DYNA中的材料模型MAT-CONCRETE-DAMAGE-REL3(MAT72)[8],該模型考慮了許多混凝土材料的特性,如彈性斷裂能、應(yīng)變率效應(yīng)、約束效應(yīng)和3種不變量的失效面,且該材料模型經(jīng)研究能被用來(lái)分析結(jié)構(gòu)在爆炸荷載作用下的響應(yīng)[9]。鋼筋采用考慮材料應(yīng)變率效應(yīng)的彈塑性材料模型MAT-PLASTIC-KINE-MATIC(MAT3)[8]。 材料參數(shù)及狀態(tài)方程如表1、表2所示。

表1 混凝土材料參數(shù)

表2 鋼筋材料參數(shù)

1.3 應(yīng)變率效應(yīng)

鋼筋和混凝土材料在爆炸荷載的作用下,會(huì)經(jīng)歷高達(dá)10～ 1000 S-1的應(yīng)變率。在這種高應(yīng)變率情況下,鋼筋的強(qiáng)度能夠提高50 %,混凝土的抗壓強(qiáng)度能夠提高100 %,因此,本文同時(shí)考慮了鋼筋和混凝土的應(yīng)變率效應(yīng)。材料的應(yīng)變率效應(yīng)通常用材料強(qiáng)度的動(dòng)力增大系數(shù)(DIF)來(lái)表示,DIF定義為在某一應(yīng)變率下材料的動(dòng)力強(qiáng)度與靜力強(qiáng)度之比。

鋼筋強(qiáng)度的DIF采用K&C模型,其動(dòng)態(tài)增強(qiáng)系數(shù)由(1)式確定。

DIFsteel=(ε/10-4)α,α= 0.074-0.040σy/414 (1)

式中:ε為鋼筋的應(yīng)變率(s-1);σy為鋼筋屈服強(qiáng)度(MPa); 290 MPa≤σy≤ 710 MPa。混凝土強(qiáng)度的DIF采用CEB模型fy,混凝土抗拉強(qiáng)度動(dòng)力增大系數(shù)TDIF由式(2)、式(3)確定。

TDIFconcrete=σtd/σts=[(ε·d)/(ε·ts)]1.016δ

(2)

TDIF concrete=σtd/σts=β[(ε·d/ε·ts)]1/3

(3)

CDIFconcrete=σcd/σcs

=[(ε·d)/(ε·cs)]1.026α,ε·d≤ 30 S-1

(4)

CDIF concrete=σcd/σcs=γ(ε·d)1/3,ε·d> 30 S-1

(5)

式中:σcd為應(yīng)變率為ε·d時(shí)的混凝土動(dòng)力抗壓強(qiáng)度;σcs為混凝土靜力抗壓強(qiáng)度,即混凝土應(yīng)變率為ε·cs時(shí)的抗壓強(qiáng)度；logγ=6.156α- 0.49,其中α=(5+ 3σcu/4)-1,σcu為混凝土立方體靜力抗壓強(qiáng)度。

2 破壞模式分析

在爆炸荷載作用下鋼筋混凝土板嚴(yán)重破壞時(shí)可能發(fā)生彎曲破壞、剪切破壞或彎曲剪切破壞3種破壞模式。彎曲破壞通常表現(xiàn)為板中央鋼筋的屈服、拉斷以及受壓區(qū)混凝土的壓碎;剪切破壞通常表現(xiàn)為板邊緣處發(fā)生直剪破壞或剪跨區(qū)發(fā)生斜剪破壞。數(shù)值模擬表明,在不同爆炸荷載作用下以上3種破壞模式均有可能發(fā)生。

依據(jù)爆炸荷載本身的特點(diǎn),一般把爆炸荷載分為3類:沖量荷載、準(zhǔn)靜態(tài)荷載和動(dòng)力荷載。沖量荷載指高峰值、低持時(shí)的爆炸荷載,多為近距離爆炸產(chǎn)生;準(zhǔn)靜態(tài)荷載為低峰值、高持時(shí)的爆炸荷載,多為遠(yuǎn)距離爆炸產(chǎn)生;而動(dòng)力荷載一般指峰值和持時(shí)介于沖量荷載和準(zhǔn)靜態(tài)荷載之間的爆炸荷載。研究表明在沖量荷載作用下,鋼筋混凝土板傾向于發(fā)生剪切破壞;在準(zhǔn)靜態(tài)荷載作用下,鋼筋混凝土板則傾向于發(fā)生彎曲破壞。而在動(dòng)力荷載作用下,鋼筋混凝土板更容易發(fā)生彎剪破壞。這是因?yàn)?在沖量荷載作用下,由于作用時(shí)間很短,剪應(yīng)力迅速增大到破壞應(yīng)力而彎曲位移尚未來(lái)得及發(fā)展,因此,更傾向于發(fā)生剪切破壞。而對(duì)于準(zhǔn)靜態(tài)荷載,由于峰值較小,剪切應(yīng)力也小,但在較長(zhǎng)時(shí)間里彎曲變形有較大發(fā)展,故更傾向于發(fā)生彎曲破壞。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，簡(jiǎn)要分析了板在三種情況下的破壞模式，這里本文采用現(xiàn)行的一種破壞等級(jí)劃分，即:

1級(jí)為輕度損傷:只在板支撐處很小范圍內(nèi)出現(xiàn)大于0.4的拉伸損傷單元,無(wú)任何壓縮破壞。

2級(jí)為中度損傷:一定范圍內(nèi)出現(xiàn)大于0.4的拉伸損傷單元,無(wú)壓縮損傷或壓縮損傷很低,板支撐處及中部出現(xiàn)小部分裂紋,板背面出現(xiàn)一定的層裂。

3級(jí)為重度損傷:較大范圍內(nèi)出現(xiàn)大于0.4的拉伸損傷單元,出現(xiàn)一定的壓縮及拉伸破壞,板支撐處及中部出現(xiàn)較多裂紋且部分裂紋貫穿板,板中心處發(fā)生較大撓度。

4級(jí)為完全破壞:大部分單元拉伸損傷變量超過0.4,混凝土側(cè)邊角出現(xiàn)連續(xù)壓縮損傷且損傷值超過0.6,板大部分崩塌或剪切塌陷。

3 毀傷破壞參數(shù)分析

利用上述有限元模型,采用參數(shù)化分析方法進(jìn)一步研究混凝土初始抗壓強(qiáng)度、比例距離對(duì)鋼筋混凝土板在爆炸荷載作用下的毀傷破壞分析。

3.1 混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

為了研究混凝土抗壓強(qiáng)度對(duì)鋼筋混凝土板毀傷破壞的影響,保持其他參數(shù)不變,對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度分別為10～30 MPa的鋼筋混凝土板在同一爆炸荷載作用后的破壞模式和破壞等級(jí)進(jìn)行了分析。每10 MPa一個(gè)量級(jí)，列出結(jié)果見表3。

表3 板的主要破壞模式和破壞等級(jí)

其中爆距為0.3 m,從表3中可以看出,隨著混凝土抗壓強(qiáng)度的增加,鋼筋混凝土板的主要破壞模式由剪切破壞逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閺澢茐?破壞等級(jí)也由完全破壞逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橹卸葥p傷,板正面中心點(diǎn)的最大撓度變化開始不大,隨后隨著變化模式由剪切破壞逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閺澢茐膿隙戎饾u變大但破壞區(qū)域逐漸減少。

3.2 不同比例距離的影響

為了研究爆炸比例距離對(duì)鋼筋混凝土板毀傷破壞的影響,保持其它參數(shù)不變,對(duì)不同比例距離的鋼筋混凝土板在爆炸荷載作用后的破壞模式和破壞等級(jí)進(jìn)行分析,方位角和俯仰角均為零。表4為結(jié)果進(jìn)行歸總分析。

表 4 板的主要破壞模式和破壞等級(jí)

4 結(jié)論

對(duì)鋼筋混凝土板在不同強(qiáng)度及爆炸條件下的破壞模式和抗爆性能進(jìn)行了數(shù)值模擬分析,得到了爆炸加載后板的3種破壞模式,主要結(jié)論如下:

(1)鋼筋混凝土板在相同強(qiáng)度的脈沖壓力作用下會(huì)發(fā)生不同的破壞模式,隨著峰值壓力的增加與作用時(shí)間的減小,破壞模式逐漸由彎曲破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榧羟衅茐摹?/p>

(2)提高樓板混凝土抗壓強(qiáng)度,能夠顯著提高鋼筋混凝土板在爆炸荷載后的抗爆性能;隨著比例距離的增加,鋼筋混凝土板的破壞減輕。

(3)雙向固支的鋼筋混凝土板在爆炸荷載作用下的破壞等級(jí)的確定,可為下一步研究鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑物在爆炸荷載作用下的毀傷評(píng)估提供參考。

[1] LiZhongxian,DuHao,BaoChunxiao.Review of current researches on blast load effects of building structure sin China[J]. Trans of Tianjin University,2006,12,Suppl:35- 41.

[2] HsinYuLow,HongHao.Reliability analysis of direct shear and flex-failure modes of under plosive loading[J].Engineer-ing Structures, 2002, 24:189- 198.

[3] YuenSCK,NurickGN.Experimental and numerical studies on the response of quad PartⅠ :subjected touni-form blastload[J]. International Journal of Impact Engineering, 2005,31:55- 83.

[4] LangdonGS,ChungKYS,NurickGN.Experimentalandnumeri-calstudiesontheresponseofquadrangularstiffenedplates.PartⅡ :local blast loading[J].International Journal of Impact Engineer-ing, 2005,31:85- 111.

[5] BeppuKM,OhnoT,SatohK.Experimentalstudyontheeffective-nessoffibersheetreinforcementontheexplosive-resistantperformance of concrete plates[J].International of Impact Engineering,2008,35: 1702- 1708.

[6] 閻石,張亮,王丹.鋼筋混凝土板在爆炸荷載作用下的破壞模式分析[J].沈陽(yáng)建筑大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版, 2005,21(3): 177- 180.

[7] 張舵,盧芳云,王瑞峰.鋼筋混凝土板在爆炸作用下的破壞研究[J]. 彈道學(xué)報(bào), 2008,20(2):13- 16.

[8] LS-DYNA.Keyword users manual[M].Liver more,California:Liv-er more Software Technology Corporation, 2006.

[9] MalvarL,CrawfordJ,MorrillK.K&C concrete material model,re-leaseⅢ :automated generation of material model input[C].ReportTR-99-24,Karagozian&CaseStructuralEngineers, 2000.

王淞(1990～)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)楸_擊。

TU317+.9

A

[定稿日期]2016-12-05