王 剛 陶俊林教授

(西南科技大學 土木工程與建筑學院,四川 綿陽 621010)

0 引言

與固體炸藥爆炸事故相比,燃氣爆炸事故在日常生活中更容易發(fā)生。2023年第一季度,國內(nèi)發(fā)生燃氣事故143起,環(huán)比2022年第四季度的129起增加14起,上升10.9%[1]。燃氣爆炸事故會讓建筑結(jié)構受到損壞,也會造成不同程度的經(jīng)濟損失和人員傷亡,因此,研究建筑結(jié)構的抗爆性能是十分迫切的。

樓板是隔開上下房間的主要建筑結(jié)構,鋼筋混凝土板能否承受燃氣爆炸的沖擊波,是減少燃氣爆炸傷害的關鍵。已有鋼筋混凝土板加固研究發(fā)現(xiàn),碳纖維材料能夠提高板的抗爆性能。陳秀華[2]、劉路[3]、岳淚陽[4]對碳纖維加固混凝土結(jié)構的抗爆能力進行數(shù)值模擬,發(fā)現(xiàn)碳纖維能夠提高混凝土結(jié)構的抗爆性能;Wu[5]、Ha[6]、Urgessa[7]、郭樟根等[8-9]對碳纖維加固的鋼筋混凝土板在爆炸作用下的抗爆性能進行試驗研究,發(fā)現(xiàn)碳纖維可以有效提高鋼筋混凝土板的抗爆能力;潘金龍等[10]進行外貼碳纖維對于加固鋼筋混凝土板抗爆性能的數(shù)值模擬研究,結(jié)果表明,在相同條件下隨著碳纖維粘貼層數(shù)和粘貼密度的增加,加固板抗爆性能不斷增強,相同條件下碳纖維加固板比玻璃纖維加固板抗爆性能更優(yōu)越;董琪[11]和陳銳林等[12]利用LS-DYNA對碳纖維加固后的鋼筋混凝土板進行深入模擬計算,結(jié)果發(fā)現(xiàn)碳纖維能夠有效限制板上裂縫的擴展,提升板的抗彎剛度和整體性,從而提高板的抗爆性能;吳志昇團隊[13-14]對接觸爆炸作用下的6塊鋼筋混凝土單向板進行試驗研究,主要研究炸藥量、碳纖維加固及聚脲加固對鋼筋混凝土板抗爆性能的影響,結(jié)果表明,炸藥量增大,鋼筋混凝土板損傷加大,破壞模式發(fā)生轉(zhuǎn)變,變?yōu)闆_切破壞。從現(xiàn)有混凝土的加固研究可知,碳纖維布與碳纖維筋均對混凝土板起到很好的加固效果。因為燃氣爆炸相比于炸藥爆炸,爆炸升壓慢、持續(xù)時間長,兩者的超壓荷載不同,現(xiàn)有研究均是對爆炸作用下板的抗爆性能進行研究,對燃氣爆炸作用下板的抗爆性能研究較少。

本文在前人研究的基礎上,研究碳纖維材料加固后的鋼筋混凝土板在燃氣荷載作用后的抗爆性能,并用碳纖維布與碳纖維筋同時對鋼筋混凝土板進行加固,研究碳纖維布與碳纖維筋復合加固鋼筋混凝土板在燃氣爆炸下的抗爆性能,采用Flacs軟件模擬某典型廚房內(nèi)的燃氣爆炸,得到作用于地板上的燃氣荷載時程曲線,基于在LS-DYNA中建立的碳纖維復合加固板數(shù)值分析模型,研究燃氣爆炸作用下碳纖維復合加固板的抗爆性能。

1 燃氣荷載

1.1 燃氣模型驗證

為準確得到鋼筋混凝土板的燃氣荷載時程曲線(超壓時程曲線),驗證設定網(wǎng)格及參數(shù)的正確性,對某典型廚房內(nèi)燃氣爆炸的數(shù)值模擬與試驗得到的燃氣荷載時程曲線(超壓時程曲線)進行對比。采用Flacs軟件模擬得到燃氣荷載時程曲線。選取一個12m3爆室[15]進行試驗,試驗設備如圖1,其中S1-S6為測點。選取9.5%的甲烷—空氣混合氣體,點火位置為爆室中心,在爆室的一面墻壁上有一個面積為0.64m2正方形窗口進行泄壓(如圖2),基本參數(shù)[15],見表1。

表1 基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters

圖1 試驗設備Fig.1 Test equipment

圖2 計算模型Fig.2 Calculation model

試驗與數(shù)值模擬燃氣荷載時程曲線(超壓時程曲線)結(jié)果對比,如圖3。從圖3中可以看出,兩者超壓的發(fā)展趨勢相似,試驗的最高壓力峰值為0.129MPa,數(shù)值模擬的最高壓力峰值為0.133MPa,兩者的壓力誤差為3.2%,誤差較小。燃氣荷載時程曲線(超壓時程曲線)結(jié)果對比驗證了所選網(wǎng)格及參數(shù)設置的正確性,從而保證獲得數(shù)據(jù)的可靠性。

圖3 試驗與數(shù)值模擬燃氣荷載時程曲線(超壓時程曲線)結(jié)果對比Fig.3 Comparison of overpressure time history curve results between experimental and numerical simulation

1.2 燃氣荷載時程曲線

按GB 50096—2011《住宅設計規(guī)范》[16]建立典型廚房的模型,廚房及廚房內(nèi)各家具的尺寸,見表2。將模型與實際廚房燃氣爆炸事件結(jié)合,將工作臺、水池、吊柜、冰箱作為固定障礙物,將門和窗的失效壓力分別設為0.015和7.3×10-3MPa,同時考慮到廚房墻壁可能會受到損壞,將廚房窗戶所在墻與門對面的墻設為磚墻,其他墻面為鋼筋混凝土墻,如圖4。按照徐志勝[17]的結(jié)論,將磚墻的失效壓力爆炸發(fā)生后,在點火位置下方地板上取121個點作為測點,如圖5。選取其中10個點,比較得到各點的燃氣荷載時程曲線(超壓時程曲線),如圖6。因剩下的111個測點與這10個點的超壓變化情況相同,對剩余的測點不做描述。為得到燃氣爆炸作用下碳纖維復合加固板的抗爆性能,將得到的121個測點上的燃氣荷載時程曲線(超壓時程曲線)導入LS-DYNA中建立的普通鋼筋混凝土板和碳纖維復合加固板模型,獲得不同板在燃氣荷載作用下的相關數(shù)據(jù)。

表2 廚房及家具尺寸Tab.2 Kitchen and furniture dimensions

圖4 廚房模型Fig.4 Kitchen model

圖5 廚房內(nèi)測點圖Fig.5 Measuring points in the kitchen

圖6 板上10個點燃氣荷載時程曲線(超壓時程曲線)Fig.6 Overpressure time history curve of 10 points on the plate

Pv1設為0.1MPa,鋼筋混凝土墻的失效壓力Pv2設為0.2MPa。廚房內(nèi)甲烷混合氣體中甲烷濃度為9.5%,點火位置為廚房中心。

2 數(shù)值分析模型

2.1 建立模型

依照GB 50010—2010《混凝土結(jié)構設計規(guī)范》[18]建立普通鋼筋混凝土板模型,普通鋼筋混凝土板的長、寬和高分別為1500、1500和120mm。混凝土采用C30,四邊固支,網(wǎng)格尺寸為20mm×20mm×20mm。鋼筋采用HRB335,單層雙向配置,直徑為8mm,間距為150mm,普通鋼筋混凝土板數(shù)值模型,如圖7。

圖7 普通鋼筋混凝土板有限元模型Fig.7 Finite element model of ordinary reinforced concrete slabs

在普通鋼筋混凝土板上均勻粘貼碳纖維布、井字型內(nèi)嵌碳纖維筋構成碳纖維復合加固板模型。碳纖維布均勻粘貼在板底,網(wǎng)格尺寸為20mm×20mm×20mm,長度為1500mm,寬為100mm,厚度為0.169mm,總面積為1.5×106mm2。碳纖維筋呈井字形內(nèi)嵌在板底,直徑為8mm,長度為1500mm。碳纖維布和碳纖維筋復合加固方式,如圖8。

圖8 碳纖維復合加固方式Fig.8 Carbon fiber composite reinforcement method

鋼筋與混凝土之間、碳纖維筋與混凝土之間使用關鍵字CONSTRAINED＿LAGRANGE＿IN＿SOLID進行耦合。碳纖維布與混凝土之間不考慮材料的滑移、剝落,兩者之間采用共節(jié)點的方式進行相連。

2.2 模型材料

混凝土材料模型為HJC(Holmquist-Johnson-Cook)本構模型,材料參數(shù),見表3。鋼筋的材料模型為MAT＿PLASTIC＿KINEMATIC(Mat-003),該模型考慮鋼筋的失效,設置失效應變FS來模擬鋼筋的破壞。鋼筋選用HRB335,材料參數(shù),見表4。碳纖維筋采用線彈性MAT＿ELASTIC(Mat-001)材料模型,同時添加MAT-ADD-EROSION模擬碳纖維筋的極限抗拉強度失效準則,具體材料參數(shù),見表5。碳纖維布的材料采用帶有3種不同失效準則的正交各向異性復合材料模型MAT＿ENHANCED＿COMPOSITE＿DAMAGE(054),以T700型號碳纖維復合材料為例,具體參數(shù),見表6。

表3 混凝土材料參數(shù)Tab.3 Material parame of concrete

表4 鋼筋材料參數(shù)Tab.4 Material parameters of reinforcement

表5 碳纖維筋材料參數(shù)Tab.5 Material parameters of carbon fiber (CFRP) bars

表6 碳纖維布材料參數(shù)Tab.6 Material parameters of carbon fiber cloth

2.3 數(shù)值模型驗證

為驗證碳纖維復合加固板模型的可靠性,采用分離式建模方法,根據(jù)表5中的材料參數(shù)對郭樟根[8-9]進行的化爆作用下碳纖維布加固鋼筋混凝土板試驗中的SB1工況(板的外形尺寸為1500mm×1500mm×150mm,在板底均勻粘貼碳纖維布進行加固?；炷翉姸葹镃30,鋼筋為直徑12mm的HRB335鋼筋,配筋率為0.6%)進行模擬,確認相關材料參數(shù)的正確性。郭樟根[8-9]在試驗中測得SB1工況在不同炸藥量下(400和600g)碳纖維布加固鋼筋混凝土板跨中位移與試驗所得到的位移對比,見表7。由表7可知,數(shù)值模擬的結(jié)果與試驗結(jié)果基本吻合,說明所建立的數(shù)值模型與參數(shù)設定正確。

表7 試驗與模擬板的跨中位移對比表Tab.7 Comparison table of mid-span displacement between test and simulation plates

3 行為響應

將1.2節(jié)得到的燃氣荷載時程曲線(超壓時程曲線)加載于碳纖維復合加固板上,對燃氣荷載作用后的碳纖維復合加固板的動力響應進行分析。

3.1 計算結(jié)果分析

普通鋼筋混凝土板等效應力云圖,如圖9。碳纖維復合加固板等效應力云圖,如圖10。

圖9 普通鋼筋混凝土板等效應力云圖Fig.9 Equivalent stress cloud map of ordinary reinforced concrete slab

圖10 碳纖維復合加固板等效應力云圖Fig.10 Equivalent stress cloud map of carbon fiber composite reinforced concrete slab

從圖9、10中可以看出,在燃氣荷載作用初期,普通鋼筋混凝土板和碳纖維復合加固板的應力分布相似,2種板四邊支座的等效應力較大,板中間的等效應力較小。隨著荷載持續(xù)作用,普通鋼筋混凝土板和碳纖維復合加固板破壞狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閺澕羝茐?2種板的板頂混凝土主要為受壓,而板底為受拉。2種板底部混凝土在t=289ms時出現(xiàn)破壞,混凝土出現(xiàn)裂縫,呈受彎破壞形態(tài)。此時普通鋼筋混凝土板上的裂縫要多于碳纖維復合加固板。隨著時間推移,2種板的中心裂縫逐漸變大,普通鋼筋混凝土板中心逐漸出現(xiàn)穿透裂縫,而碳纖維復合加固板沒有出現(xiàn)貫穿裂縫。但2種板的中心裂縫均向四邊擴展,在板底均形成了幾條由板中心指向四角的斜裂縫,裂縫呈現(xiàn)一種對稱的分布方式,2種板整體為中心以受彎為主,板四邊固支區(qū)域為彎剪綜合作用的破壞形態(tài)。但是碳纖維復合加固板在板底出現(xiàn)的裂縫數(shù)量要少于普通鋼筋混凝土板,同時碳纖維復合加固板也沒有出現(xiàn)貫穿裂縫,裂縫數(shù)量較少說明使用碳纖維布和碳纖維筋加固后的復合加固板的抗爆性能提升。

碳纖維復合加固板上碳纖維布的等效應力,如圖11。在燃氣荷載作用初期等效應力主要集中在碳纖維布的中心位置,并由中心向四周傳遞。碳纖維布主要承受拉應力,由于碳纖維布的抗拉力性能較高沒有被拉斷,一直處于彈性階段。內(nèi)嵌的碳纖維筋軸向應力最大時的軸向應力,如圖12。由圖12可知,碳纖維筋中間明顯向下彎曲,中間應力最大,最大應力為1205.49MPa,沒有達到碳纖維筋斷裂的極限抗拉強度,應力由中心向兩邊逐漸減小,碳纖維筋主要受拉。

圖11 碳纖維布等效應力云圖Fig.11 Equivalent stress cloud map of carbon fiber cloth

圖12 內(nèi)嵌碳纖維筋軸向應力云圖Fig.12 Axial stress cloud map of embedded carbon fiber bars

普通鋼筋混凝土板和碳纖維復合加固板的位移時程曲線,如圖13。普通鋼筋混凝土板的最大位移為123.08mm,當達到最大位移后測點處的混凝土發(fā)生剝落,所以僅取該點混凝土剝落時的最大位移。碳纖維復合加固板的最大位移為43.98mm,位移峰值降低了63.08%,加固效果較為明顯,主要原因是加固板底面粘貼的碳纖維布和內(nèi)嵌的碳纖維筋對板底的裂縫進行了限制,遏制了碳纖維復合加固板的破壞,增強了碳纖維復合加固板的整體性,提高了碳纖維復合加固板的抗彎剛度。

圖13 2種混凝土板的位移時程曲線Fig.13 Displacement time history curve of concrete slab

3.2 不同碳纖維復合加固方式

碳纖維布粘貼在板底的方式為中心粘貼、田字粘貼和均勻粘貼,內(nèi)嵌在板底的碳纖維筋為井字形和川字型,將3種碳纖維布粘貼方式和2種不同的碳纖維筋內(nèi)嵌方式組合在一起,可以得到6種碳纖維復合加固板的方法,如圖14。

圖14 不同碳纖維復合加固方式Fig.14 Carbon fiber composite reinforcement methods

6種不同碳纖維復合加固板位移時程曲線,如圖15。由圖15可知,Z-CZ-JG型加固方式在板底所測得的位移峰值最小,位移峰值為36.38mm,J-JZ-JG型加固板的位移最大,為43.98mm,兩者相比,Z-CZ-JG型加固板位移相比于J-JZ-JG型加固板減小了17.28%。由圖16可以看出,J-JZ-JG型加固板上碳纖維布的單元應力最大,為835.69MPa,Z-CZ-JG型加固板上碳纖維布的單元應力最小,為488.78MPa。綜上,Z-CZ-JG型可以提高加固板的整體性,降低加固板的整體應力水平,對板上裂縫的擴展起到一定的遏制作用,所以,Z-CZ-JG型加固方式的加固效果最好。

圖15 碳纖維復合加固板位移時程曲線Fig.15 Displacement time history curve of carbon fiber composite reinforced plate

(a)整體圖 (b)局部放大圖圖16 碳纖維布上相同位置最大主應力時程曲線Fig.16 Time history curve of maximum principal stress at the same position on carbon fiber cloth

3.3 碳纖維布粘貼層數(shù)

在確定了加固方式為Z-CZ-JG型加固方式的情況下,不改變其他參數(shù),考慮粘貼碳纖維層數(shù)對碳纖維復合加固板抗爆效果的影響,如圖17。由圖17可知,當粘貼層數(shù)由1層增加到5層時,加固板的最大位移為36.38、28.69、25.01、21.49、18.39mm。每增加1層碳纖維布,前一層與后一層的位移差值分別為7.69、3.68、3.52、3.1mm,當碳纖維布層數(shù)在2層以上時,位移下降幅度越來越來小?？紤]到安全性與經(jīng)濟型,粘貼層數(shù)為2層時較好。

(a)整體圖 (b)局部放大圖圖17 不同粘貼碳纖維層數(shù)時位移時程曲線Fig.17 Displacement time-history curve with different number of carbon fiber layers pasted

3.4 碳纖維筋間距

在確定加固方式為Z-CZ-JG型加固方式的情況下,不改變其他參數(shù),考慮碳纖維筋間距對碳纖維復合加固板抗爆效果的影響。只改變碳纖維筋間距,分別取@120、@160、@200、@240mm,碳纖維復合加固板最大位移,見表8。

表8 不同碳纖維筋間距板最大位移Tab.8 Maximum displacement of plates with different spacing of carbon fiber bars

由表8可知,在改變碳纖維筋間距,配筋率不變,減小碳纖維筋間距,板的峰值位移減小。隨著碳纖維筋間距的減小,峰值位移由37.70mm減小到36.02mm,位移減小4.66%。說明在配筋率不變時,僅改變碳纖維筋的間距對提高碳纖維復合加固板的抗爆效果不明顯。

4 結(jié)論

(1)對比普通鋼筋混凝土板和碳纖維復合加固板在燃氣荷載下的抗爆性能,發(fā)現(xiàn)碳纖維材料主要是在荷載作用后期發(fā)揮作用,碳纖維能夠遏制鋼筋混凝土板上裂縫的擴展,提高碳纖維復合加固板的整體性,提高碳纖維復合加固板的抗彎剛度。

(2)不同的加固方式對加固板的加固效果有一定影響,在6種不同碳纖維復合加固方式中,Z-CZ-JG型(即碳纖維布中間粘貼、川字型內(nèi)嵌碳纖維筋加固板)加固方式在燃氣荷載作用下的抗爆性能最好。

(3)采用Z-CZ-JG型加固方式,其他條件不變的情況下,隨著碳纖維布層數(shù)的增加,加固板的抗爆性能得到提高,但當碳纖維布層數(shù)在2層以上時,位移下降幅度越來越小?？紤]到安全性與經(jīng)濟型,粘貼層數(shù)為2層時較好;減小碳纖維筋間距,配筋率不變時,改變碳纖維筋的間距可以提高加固板的抗爆性能,但是提高效果不明顯。