饒 彬

(陸軍工程大學(xué)爆炸沖擊防災(zāi)減災(zāi)國家重點實驗室，江蘇 南京 210007)

爆炸常常造成RC結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重破壞甚至部分或整體倒塌，帶來嚴(yán)重的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。所謂連續(xù)倒塌，是指突發(fā)事件引起的初始局部破壞沿構(gòu)件傳遞，導(dǎo)致整個建筑結(jié)構(gòu)的倒塌或不成比例很大一部分的倒塌[1]。對爆炸荷載作用下RC結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌的研究分析方法主要有理論方法、試驗方法和數(shù)值模擬方法。

1 理論研究

目前對爆炸荷載作用下RC結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌的理論研究主要是針對梁、板、柱等承重構(gòu)件以及梁柱子結(jié)構(gòu)，研究其在爆炸荷載作用下的動力響應(yīng)，主要研究方法有等效單自由度法和模態(tài)近似法。

1)等效單自由度法。

等效單自由度法最早是由Norris等[2]提出的，該方法將RC構(gòu)件簡化成一個等效單自由度體系，假定體系的全部質(zhì)量集中于某一點，據(jù)此來預(yù)測體系的位移響應(yīng)。Garta和Stochino[3]提出了一種在均布爆炸荷載作用下RC梁的等效單自由度模型，該模型能夠考慮材料的應(yīng)變率效應(yīng)。Stochino[4]應(yīng)用等效單自由度方法，對RC梁在爆炸荷載作用下的動力響應(yīng)進(jìn)行了參數(shù)敏感性分析，發(fā)現(xiàn)RC梁的長細(xì)比和跨度、爆炸荷載的峰值都對其動力響應(yīng)有著重要影響。

2)模態(tài)近似法。

模態(tài)近似法最早是由Martin和Symonds[5]提出的，該方法通過對RC構(gòu)件的變形規(guī)律進(jìn)行假設(shè)，使運動微分方程得到簡化，從而簡便快速地求解構(gòu)件的運動微分方程。Lellep和Torn[6]采用模態(tài)近似法分析了爆炸荷載作用下剛塑性梁的動力響應(yīng)，并求解出了解析公式。Li等[7]運用模態(tài)近似法研究了理想彈塑性梁在爆炸荷載作用下的動力響應(yīng)，并分析了梁的剪切剛度對其最大橫向剪切位移的影響。

2 試驗研究

現(xiàn)場爆炸試驗?zāi)軌颢@得第一手真實可靠的數(shù)據(jù)，其作用是不可替代的。當(dāng)前的試驗研究主要集中在RC構(gòu)件的動力響應(yīng)方面，對RC整體結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌的試驗研究主要是在縮比例模型上進(jìn)行的，爆炸荷載作用下全尺寸原型建筑的倒塌試驗較為稀少。

2.1 結(jié)構(gòu)構(gòu)件

Zhang等[8]對RC梁在近爆情況下的破壞特性進(jìn)行了試驗研究，并研究了不同比例爆距下RC梁的破壞形態(tài)和損傷程度。Shi等[9]對近爆情況下RC板的破壞機(jī)理進(jìn)行了試驗研究，研究發(fā)現(xiàn)增大圓柱形TNT炸藥的長徑比會使RC板的混凝土剝落程度加重。Zhai等[10]對受火后RC梁在爆炸荷載作用下的動力響應(yīng)進(jìn)行了試驗研究，研究結(jié)果表明，RC梁的最大位移和殘余位移隨著受火時間的延長幾乎呈線性增長，而且與未受火RC梁相比，受火RC梁遭到的破壞更為嚴(yán)重。

2.2 整體結(jié)構(gòu)

Sasani和Sagiroglu[11]對圣地亞哥的一家賓館進(jìn)行了實體爆炸試驗，采用爆破的方式移除相鄰兩個框架柱，試驗中建筑物沒有發(fā)生連續(xù)倒塌，失效柱上方的重力荷載通過荷載重分布傳向其他承重構(gòu)件，雙向空腹作用在荷載重分布的過程中發(fā)揮了主要作用。Baylot和Bevins等[12]研究了1∶4的RC框架中非結(jié)構(gòu)性外墻對爆炸荷載的影響。試驗結(jié)果表明，爆炸產(chǎn)生的空氣沖擊波與外墻的相互作用能夠明顯增加作用在炸藥正對結(jié)構(gòu)柱上的沖量。高超等[13]對一個3層RC框架進(jìn)行了連續(xù)倒塌試驗，研究了炸藥安放位置、炸藥離建筑的距離和炸藥裝藥量等因素對RC框架倒塌模式的影響。

2.3 擬靜力加載法

Izzuddin等[14]提出可以與移柱法結(jié)合使用的擬靜力加載法，該方法假設(shè)所有重力荷載做的功等于結(jié)構(gòu)所吸收的應(yīng)變能，試驗時重力荷載通過電液伺服作動器施加在失效柱的上部柱頂，失效柱則用機(jī)械千斤頂代替，試驗過程中千斤頂逐級卸載。

3 數(shù)值模擬

隨著計算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，越來越多的研究人員采用數(shù)值模擬方法來分析研究爆炸荷載作用下RC結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌過程，常采用的數(shù)值分析方法有離散單元法和有限元法。

1)離散單元法。

離散單元法的求解過程屬于顯式求解，該方法將結(jié)構(gòu)簡化成一個個用彈簧連接起來的剛體，單元節(jié)點可以分離。目前用得較多的離散單元分析軟件有EDEM，PFC2D等。Pekau和Cui[15]用離散單元法研究了預(yù)制墻板剪力墻的連續(xù)倒塌過程，研究結(jié)果表明，只要預(yù)制墻板剪力墻的設(shè)計滿足抗震要求，它就能滿足結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌對垂直連接接頭的剪切延性要求和對水平連接接頭的剪切滑移要求。Valipour和Foster[16]用一維離散單元分析了RC框架的懸索作用，并用試驗和數(shù)值模擬驗證了離散單元分析得出公式的正確性。張富文和呂西林[17]開發(fā)了能夠模擬RC結(jié)構(gòu)倒塌過程的離散單元仿真程序CSPF1.0，并用實例證明了該程序的可靠性和離散單元法在結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌分析中的可行性。

2)有限元法。

有限元法在連續(xù)倒塌分析中應(yīng)用的最為普遍，常用的商業(yè)有限元分析軟件有ANSYS，ABAQUS，LS-DYNA等，這些軟件都具有強(qiáng)大的非線性分析功能，而且用戶還能根據(jù)自己的需要在這些軟件平臺上進(jìn)行二次開發(fā)。

根據(jù)建模方法的不同，有限元法可劃分為精細(xì)有限元法、簡化有限元法和混合有限元法。精細(xì)化建模方式計算準(zhǔn)確，但是很難應(yīng)用于大型建筑物倒塌的分析；簡化建模方式適用于大型建筑物的倒塌分析，但是對力學(xué)行為復(fù)雜區(qū)域的模擬又不夠準(zhǔn)確；混合建模方式則能夠綜合前兩種方法的優(yōu)點。

根據(jù)是否考慮爆炸荷載與RC結(jié)構(gòu)的相互作用，有限元法可分為直接模擬法和替代傳力路徑法。根據(jù)是否考慮材料的幾何非線性和結(jié)構(gòu)的動力因素，替代傳力路徑法又可進(jìn)一步細(xì)分為線性靜力分析、非線性靜力分析、線性動力分析以及非線性動力分析[18]。

Pham等[19]利用LS-DYNA建立了中柱失效情況下的兩跨RC梁柱子結(jié)構(gòu)模型，并用該模型研究了邊界剛度、阻尼比、炸藥裝藥量等參數(shù)對結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能的影響。研究結(jié)果表明，梁底部的縱向鋼筋斷裂之后，子結(jié)構(gòu)的懸鏈線效應(yīng)能夠阻止其發(fā)生連續(xù)倒塌。Xiao和Wang[20]采用不同的建模方式建立了一個8層的RC框架模型，研究框架在不同條件下的倒塌過程，發(fā)現(xiàn)在框架倒塌過程中梁最先發(fā)生破壞，而倒塌的主要原因是總應(yīng)變能的積累。師燕超等[21]利用在LS-DYNA建立的RC框架模型，研究了爆炸荷載對結(jié)構(gòu)造成的初始損傷和初始條件對其連續(xù)倒塌過程的影響，并在傳統(tǒng)替代傳力路徑法的基礎(chǔ)上提出了改進(jìn)的方法。

4 結(jié)語與展望

爆炸荷載作用下RC結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌的各種研究方法都各有優(yōu)勢，但也都有不足。理論研究方法目前還停留在對梁、板、柱等RC構(gòu)件的分析上，對RC整體結(jié)構(gòu)的理論分析還處于停滯狀態(tài)。在對單個構(gòu)件進(jìn)行分析時，如何考慮鋼筋和混凝土的相互作用，考慮結(jié)構(gòu)的動力因素和材料的幾何非線性；在對RC整體結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌進(jìn)行分析時，如何找到合理的簡化方法來準(zhǔn)確預(yù)測其連續(xù)倒塌過程，是理論分析方法的發(fā)展方向。

現(xiàn)場爆炸試驗費用高昂、安全性差、不可知因素多、對試驗設(shè)備和場地要求較高，如何找到類似于擬靜力加載法的新的試驗方法，使試驗過程更加安全可靠，試驗成本更加低廉，同時又能夠考慮爆炸荷載對結(jié)構(gòu)的初始影響，是試驗方法要解決的問題。

數(shù)值模擬方法比理論分析方法更加精確可靠，同時也比試驗方法更為方便和低廉，將廣泛應(yīng)用于爆炸荷載作用下RC結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌分析中。但是直接模擬法不適合工程應(yīng)用，替代傳力路徑法又無法考慮爆炸荷載對結(jié)構(gòu)初始破壞的影響；同時，精細(xì)化有限元建模計算成本高，簡化有限元建模又不夠精確。因此在替代傳力路徑法的基礎(chǔ)上，考慮爆炸荷載對結(jié)構(gòu)的初始破壞，是數(shù)值模擬研究的重要課題。此外，找到合理的建模方式，或者開發(fā)新的單元類型，使計算成本更低，同時又能夠保證足夠的計算精度，也是數(shù)值模擬方法的發(fā)展趨勢。