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        有無預(yù)應(yīng)力內(nèi)置壓型鋼板裝配式寬連梁抗爆性能研究

        2020-08-27 09:07:36周文君李令令聶紅鑫
        關(guān)鍵詞:抗爆性壓型內(nèi)置

        周文君,李令令, 聶紅鑫

        (吉林建筑科技學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春 130000)

        大量工程實(shí)踐及科學(xué)試驗(yàn)表明寬連梁具有增大梁剪壓區(qū)范圍、提高跨高比值,優(yōu)化結(jié)構(gòu)的整體性能的特性.裝配式體系引進(jìn)寬連梁構(gòu)件,既能顯著提高建筑預(yù)制裝配化程度,又能充分發(fā)揮剪力墻-寬連梁的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)[1-3]。

        針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問題,沈陽建筑大學(xué)孫麗教授提出一種內(nèi)置壓型鋼板凹槽結(jié)構(gòu)的裝配式寬連梁構(gòu)件,圖1為此寬連梁的裝配形式以及多連梁構(gòu)造的裝配形式。預(yù)制時(shí),將壓型鋼板圍成的U型凹槽作為內(nèi)模板,預(yù)制完成的寬連梁兩端形成“凹槽結(jié)構(gòu)”且寬度應(yīng)大于預(yù)制剪力墻板。裝配時(shí)將預(yù)制連梁寬梁吊裝剪力墻預(yù)留的連梁卡位,鋼筋穿過凹槽澆注混凝土,成為一種新型混合聯(lián)肢墻體系。自內(nèi)置壓型鋼板裝配式寬連梁-剪力墻結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)提出以來,孫麗教授已經(jīng)在其他各方面做了充分研究。

        圖1 內(nèi)置壓型鋼板凹槽結(jié)構(gòu)的裝配式寬連梁

        筆者在研究箍筋對(duì)內(nèi)置壓型鋼板裝配式寬連梁-剪力墻抗爆性影響時(shí)發(fā)現(xiàn),其連梁破壞初期多由混凝土抗拉能力差導(dǎo)致,施加截面預(yù)壓力能有效改善抗拉能力不足的缺點(diǎn)。基于此,筆者應(yīng)用基于HyperMesh的專業(yè)爆破前處理插件TCE(TechChat- Exploding,TCE)建立了內(nèi)置壓型鋼板裝配式寬連梁-剪力墻結(jié)構(gòu)流-固耦合有限元模型,應(yīng)用 Ls-Dyna 的顯示求解功能,在相同爆炸荷載下改變截面預(yù)應(yīng)力值,對(duì)內(nèi)置壓型鋼板裝配式寬連梁抗爆性與預(yù)應(yīng)力的影響關(guān)系進(jìn)行研究。

        1 材料模型

        本數(shù)值模擬中,炸藥TNT特性應(yīng)用Ls-Dyna求解器封裝材料庫(kù)提供的*MAT_HIGH_EXPLOSI VE_BU RN材料模型,結(jié)合*EOS_ JWL狀態(tài)方程模擬;空氣特性應(yīng)用Ls-Dyna求解器封裝材料庫(kù)提供的*MAT_NULL空材料模型,并結(jié)合*EOS_LINE R_ POLYNOMIAL狀態(tài)方程模擬[4-6]。

        1.1 混凝土材料模型

        本數(shù)值模擬中,混凝土C40特性應(yīng)用Ls-Dyna求解器封裝材料庫(kù)提供的*MAT_JOHNSON_HOL MQUIST_CONCRETE模型(簡(jiǎn)稱 HJC)進(jìn)行模擬。其中HJC模型針對(duì)求解爆炸沖擊荷載,這種會(huì)引起材料產(chǎn)生大應(yīng)變、高應(yīng)變率等的工況極為合適。HJC模型是以累積塑性應(yīng)變?yōu)楹饬繕?biāo)準(zhǔn)的損傷本構(gòu)關(guān)系模型,具有反應(yīng)壓力效應(yīng)及應(yīng)變率的敏感屬性,其特性應(yīng)用于Lagrange和Euler單元的有限元計(jì)算中非常合適[7]。模型中等效屈服強(qiáng)度變量是標(biāo)準(zhǔn)壓力、應(yīng)變和損傷變量相關(guān)聯(lián)的函數(shù)。其中標(biāo)準(zhǔn)壓力變量又是體積應(yīng)變變量的函數(shù),即包含壓實(shí)效應(yīng),積累損傷是塑性體積應(yīng)變、等效體積應(yīng)變和壓力變量相關(guān)的函數(shù)。材料等效屈服強(qiáng)度計(jì)算公式如下[8-9]:

        (1)

        1.2 鋼筋材料模型

        鋼筋為應(yīng)變率十分敏感的各向同性材料,與受靜力荷載不同,鋼筋在高應(yīng)變率爆炸荷載的作用下會(huì)發(fā)生極速的材料變形,故對(duì)于模擬鋼材的動(dòng)態(tài)特性,筆者選用Ls-Dyna求解器封裝材料庫(kù)提供的*MAT_PLASTIC_KIN EMATI非線性材料模型模擬,該材料模型考慮了應(yīng)變率效應(yīng)對(duì)應(yīng)力的影響,適用于模擬具有各向同性和塑性隨動(dòng)硬化特性的材料,有效節(jié)約計(jì)算時(shí)間,在梁?jiǎn)卧蜌卧杏?jì)算優(yōu)勢(shì)更明顯。 *MAT_PL ASTIC_KINEMATI材料模型應(yīng)用Cowper-Symonds關(guān)系來考慮和應(yīng)變率有關(guān)的影響,采用與應(yīng)變率的有關(guān)因數(shù)描述屈服應(yīng)力[10]:

        (2)

        2 有限元分析模型

        2.1 構(gòu)造及材料

        內(nèi)置壓型鋼板裝配式寬連梁-剪力墻尺寸、鋼筋分布及炸藥幾何尺寸,見圖2。構(gòu)件箍筋及縱筋采用HRB400級(jí)鋼筋,參數(shù)見表1;混凝土采用C40級(jí)混凝土,參數(shù)見表2。其中,預(yù)應(yīng)力鋼筋公稱直徑為25 mm,屈服強(qiáng)度785 MPa,其他參數(shù)參照HRB400級(jí)鋼筋,見表1;TNT炸藥體積60 mm×180 mm×120 mm(LB-1=60 mm、LB-2=180 mm、LB-3=120 mm)[11-15]。

        圖2 模型尺寸及鋼筋分布(單位:mm)

        表1 鋼筋材料參數(shù)

        表2 C40混凝土材料參數(shù)

        2.2 有限元網(wǎng)格處理

        有限元模型鋼筋應(yīng)用Ls-Dyna顯示動(dòng)力學(xué)單元BEAM 168模擬,單元數(shù)量1 022個(gè);混凝土應(yīng)用Ls-Dyna顯示動(dòng)力學(xué)單元Solid 164模擬,單元數(shù)量1 308個(gè);壓型鋼板應(yīng)用Ls-Dyna顯示動(dòng)力學(xué)單元PLANE 162平面板單元模擬,單元數(shù)量228個(gè)。單元網(wǎng)格劃分尺寸為50 mm,其中混凝土與壓型鋼板及與預(yù)應(yīng)力鋼筋間采用彈簧單元連接,用來等效兩種介質(zhì)間的粘連狀態(tài),網(wǎng)格劃分見圖2。

        3 有限元分析結(jié)果

        3.1 無預(yù)應(yīng)力抗爆分析

        寬連梁在距起爆0.01 s時(shí)寬連梁橫截面混凝土出現(xiàn)貫穿損傷,至0.03 s后爆炸沖擊不再引起寬連梁進(jìn)一步損傷,見圖3,其中混凝土單元損傷量占混凝土單元總量的46.3%,表明混凝土損傷程度屬于極為嚴(yán)重,見表3。0.04 s時(shí)鋼筋骨架達(dá)峰值位移2.68 mm,鋼筋骨架位移-時(shí)間曲線見圖4。

        圖3 無預(yù)應(yīng)力寬連梁位移云圖

        圖4 無預(yù)應(yīng)力寬連梁鋼筋骨架位移-時(shí)間曲線

        3.2 各截面預(yù)加壓力抗爆分析

        1 000 MPa、1 200 MPa、1 400 MPa、1 600 MPa截面預(yù)加壓力抗爆分析如下。

        (1) 截面預(yù)加壓力1 000 MPa時(shí),爆炸全過程中未出現(xiàn)混凝土梁截面貫穿損傷,0.30 s后爆炸沖擊不再引起寬連梁進(jìn)一步損傷,混凝土單元損傷量占混凝土單元總量47.48%,見表3,表明混凝土損傷程度極為嚴(yán)重。0.46 s時(shí)鋼筋骨架達(dá)峰值位移2.92 mm,見圖5。

        (2) 截面預(yù)加壓力1 200 MPa時(shí),爆炸全過程中未出現(xiàn)混凝土梁截面貫穿損傷,0.33 s后爆炸沖擊不再引起寬連梁進(jìn)一步損傷,混凝土單元損傷量占混凝土單元總量42.43%,見表3,表明混凝土損傷程度較為嚴(yán)重。0.46 s時(shí)鋼筋骨架達(dá)峰值位移2.62 mm,見圖5。

        圖5 有預(yù)應(yīng)力寬連梁鋼筋骨架位移-時(shí)間曲線

        表3 不同預(yù)壓力值的失效單元比例

        (3) 截面預(yù)加壓力1 400 MPa時(shí),爆炸全過程中未出現(xiàn)混凝土梁截面貫穿損傷,0.35 s后爆炸沖擊不再引起寬連梁進(jìn)一步損傷,見圖6,混凝土單元損傷量占混凝土單元總量37.46%,見表3,表明混凝土損傷程度最輕。0.47 s時(shí)鋼筋骨架達(dá)峰值位移1.66 mm,見圖5。

        圖6 截面預(yù)壓力1 400 MPa寬連梁位移云圖

        (4) 截面預(yù)加壓力1 600 MPa時(shí),爆炸全過程中未出現(xiàn)混凝土梁截面貫穿損傷,0.34 s后爆炸沖擊不再引起寬連梁進(jìn)一步損傷,混凝土單元損傷量占混凝土單元總量39.83%,見表3,表明混凝土損傷程度較輕。0.49 s時(shí)鋼筋骨架達(dá)峰值位移2.35 mm,見圖5。

        截面預(yù)加壓力可以有效改善內(nèi)置壓型鋼板寬連梁的抗爆性能。延長(zhǎng)寬連梁達(dá)到最終破壞的時(shí)間,降低混凝土的損傷程度,減弱鋼筋骨架在爆炸荷載下的位移變形。但是預(yù)加截面壓力值應(yīng)該在一定范圍內(nèi),如本例截面預(yù)加壓力小于1 000 MPa時(shí),未能明顯改善寬連梁抗爆性能;大于1 600 MPa后又開始不利于寬連梁抗爆性能提升。

        3.3 有無預(yù)應(yīng)力抗爆性對(duì)比

        由表3中失效單元占比數(shù)知,施加截面預(yù)加壓力的內(nèi)置壓型鋼板裝配式寬連梁抗爆能力總體強(qiáng)于同規(guī)格的普通寬連梁。初始預(yù)應(yīng)力值在1 400 MPa時(shí)抗爆能力提升到頂峰。

        施加截面預(yù)加壓力,大幅度改善普通寬連梁在爆炸荷載下的脆性特性。減少混凝土單元損傷量的同時(shí),延緩終止破壞時(shí)間達(dá)無預(yù)應(yīng)力寬連梁的近10倍。

        施加截面預(yù)加壓力,一定程度上改善寬連梁鋼筋骨架在爆炸荷載下的變形程度。由圖5可知,骨架位移-時(shí)間曲線,預(yù)加壓力1 000 MPa時(shí),出現(xiàn)幾條鋼筋骨架位移曲線的位移幅值最值,同時(shí)振動(dòng)幅度最大;隨著預(yù)加壓力增加至1 200 MPa~1 400 MPa范圍內(nèi),位移幅值變小,位移振動(dòng)幅度也下降,振動(dòng)趨于穩(wěn)態(tài);隨著施加預(yù)加壓力值的繼續(xù)加大,位移幅值逐步增加,振動(dòng)幅度也有所提高。

        4 結(jié) 論

        (1) 采用預(yù)應(yīng)力技術(shù),可以一定程度上提升內(nèi)置壓型鋼板寬連梁抗爆性能。

        (2) 改善內(nèi)置壓型鋼板寬連梁在爆炸荷載下的脆性弱點(diǎn),可以通過預(yù)應(yīng)力技術(shù)達(dá)到目的。

        (3) 采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)改善內(nèi)置壓型鋼板寬連梁抗爆性能時(shí),截面預(yù)壓力值應(yīng)該控制在一定范圍內(nèi),預(yù)壓力值過高或過低,都可能達(dá)不到預(yù)期效果,預(yù)加壓力最適控制在1 200 MPa~1 400 MPa范圍。

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