楊允鍇,武雙章,高振儒,毛益明

(陸軍工程大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院,南京 210007)

鋼筋混凝土因其優(yōu)異的材料特性和力學(xué)性能成為當(dāng)前建筑結(jié)構(gòu)抗爆設(shè)計(jì)的首選,研究鋼筋混凝土構(gòu)件在爆炸荷載作用下的毀傷效應(yīng)與破壞模式,是研究結(jié)構(gòu)整體倒塌的基礎(chǔ)。常規(guī)武器戰(zhàn)斗部爆炸作用于鋼筋混凝土構(gòu)件上的爆炸荷載較常規(guī)荷載具有峰值壓力高、作用時(shí)間短、誘發(fā)的結(jié)構(gòu)應(yīng)變率高等特點(diǎn),可能導(dǎo)致構(gòu)件發(fā)生彎曲破壞、剪切破壞和彎剪破壞等破壞模式[1]。根據(jù)爆源參數(shù)預(yù)估結(jié)構(gòu)物中主要構(gòu)件的毀傷情況,對(duì)建筑物抗爆設(shè)計(jì)、毀傷評(píng)估及火力優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要意義。

裝藥在鋼筋混凝土構(gòu)件近距離爆炸時(shí),其爆轟產(chǎn)物及空氣沖擊波能夠?qū)?gòu)件造成毀傷,諸多學(xué)者對(duì)鋼筋混凝土構(gòu)件的毀傷規(guī)律進(jìn)行了研究。T. Ngo等[2]利用數(shù)值模擬法研究得到了混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)鋼筋混凝土柱抗爆性能的影響規(guī)律。張秀華等[3]利用有限元軟件LS-DYNA模擬研究了爆炸荷載參數(shù)(峰值超壓、正壓作用時(shí)間)與支柱破壞模式間的關(guān)系。李國(guó)強(qiáng)等[4]使用有限元軟件ANSYS研究了框架柱兩端約束對(duì)其在爆炸載荷作用下動(dòng)力響應(yīng)的影響。Karns J E等[5]采用試驗(yàn)方法研究了框架柱在沖擊破壞后,梁、柱交接點(diǎn)的受力、變形與整體框架倒塌之間的關(guān)聯(lián)。魏雪英等[6]分析了不同截面的鋼筋混凝土柱在不同比例距離下的側(cè)向位移和破壞情況的不同。師燕超等[7-8]分析總結(jié)了爆炸作用下鋼筋混凝土柱的動(dòng)力響應(yīng)及破壞模式,證明破壞模式與鋼筋混凝土柱自身特性和爆炸荷載類型均有關(guān)。龔順風(fēng)等[9]通過數(shù)值模擬方法研究了近距離爆炸作用下鋼筋混凝土柱的損傷機(jī)理。方秦等[10-13]以Timoshenko梁理論和有限差分方法為依據(jù),給出了定量分析鋼筋混凝土柱在爆炸作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和失效模式的方法。汪維等[14-15]分別對(duì)高層框架結(jié)構(gòu)中常見的梁、板構(gòu)件的縮比模型進(jìn)行了實(shí)爆試驗(yàn),并提出了試驗(yàn)構(gòu)件的毀傷判據(jù)。閆俊伯等[16]采用數(shù)值模擬及試驗(yàn)方法,研究了不同混凝土強(qiáng)度和鋼筋材料參數(shù)對(duì)鋼筋混凝土柱抗爆性能及破壞模式的影響。張帝等[17]采用鋼筋混凝土排架結(jié)構(gòu)縮比模型進(jìn)行了實(shí)爆試驗(yàn)與數(shù)值模擬,得出排架的關(guān)鍵破壞特征為迎爆位置處承重柱的傾覆轉(zhuǎn)動(dòng)的結(jié)論。Yan Liu等[18]采用單自由度分析法和數(shù)值模擬法,探討了軸向荷載、縱向配筋率、橫向配筋率、縱橫比和邊界條件的影響。田力等[19]利用數(shù)值模擬方法對(duì)比研究了沖擊波單獨(dú)作用、破片單獨(dú)作用、二者聯(lián)合作用下鋼筋混凝土柱的動(dòng)力響應(yīng)。Gholipour G等[20]采用數(shù)值模擬方法,研究了施加不同沖擊和爆炸荷載對(duì)軸向中高層建筑中典型鋼筋混凝土受壓柱破壞行為和動(dòng)力響應(yīng)的影響。

現(xiàn)有研究及結(jié)論大都是采用了理論分析或數(shù)值模擬方法,但裝藥在鋼筋混凝土構(gòu)件近距離爆炸時(shí),爆炸荷載特性、構(gòu)件邊界條件及材料特性的復(fù)雜程度超出理論分析法的適用范圍;而數(shù)值模擬法的結(jié)果與計(jì)算軟件、模型網(wǎng)格尺寸、計(jì)算方法及材料模型參數(shù)的選取都有很大關(guān)系,在缺乏試驗(yàn)驗(yàn)證的情況下其有效性有待商榷。而大尺度鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的毀傷試驗(yàn),因安全風(fēng)險(xiǎn)大、成本昂貴,現(xiàn)階段可參考的成果不多。

為研究鋼筋混凝土柱在炸藥近距離爆炸作用下的損傷,以鋼筋混凝土排架結(jié)構(gòu)支撐柱及抗風(fēng)柱的縮比模型為試驗(yàn)對(duì)象,充分考慮排架結(jié)構(gòu)中支柱的邊界條件,進(jìn)行了10次獨(dú)立的大尺度爆炸試驗(yàn)研究,觀測(cè)試驗(yàn)構(gòu)件在爆炸荷載作用后的破壞效果與毀傷特征,分析了部分影響鋼筋混凝土柱毀傷程度的因素,初步建立了鋼筋混凝土柱的毀傷判據(jù),提出了鋼筋混凝土柱破壞等級(jí)的劃分依據(jù),為理論分析及數(shù)值模擬研究提供驗(yàn)證,為鋼筋混凝土排架結(jié)構(gòu)整體毀傷研究奠定基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試件設(shè)計(jì)

考慮工程運(yùn)用的實(shí)際情況,以最常見的鋼筋混凝土單層排架結(jié)構(gòu)大型工業(yè)廠房中的支撐柱及抗風(fēng)柱為原型進(jìn)行研究,其截面尺寸分別為600 mm×1 000 mm(寬B0×長(zhǎng)L0)和600 mm×600 mm(寬B1×長(zhǎng)L1),高度H均為15 000 mm,截面配筋率分別為ρ0=0.9%,ρ1=1.0%,兩種試驗(yàn)構(gòu)件的截面配筋如圖1所示。鋼筋混凝土柱使用C30混凝土材料,其軸心抗壓強(qiáng)度fc=30 MPa,密度ρc=2 300 kg/m3,泊松比υc=0.2;選用了HRB400牌號(hào)的縱筋及箍筋,彈性模量Es=2.0×105MPa,屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fyk=400 MPa,極限強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fstk=540 MPa,總伸長(zhǎng)率極限值δgt=7.5%。

圖1 單層排架結(jié)構(gòu)典型支柱截面及其配筋Fig.1 Sections and reinforcements of typical columns in single layer shelving structure

考慮試驗(yàn)的成本及安全風(fēng)險(xiǎn)問題,采用1∶3的比例對(duì)原型構(gòu)件進(jìn)行縮尺設(shè)計(jì),按照框架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度模型相似率原理,縮尺設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證鋼筋混凝土支撐柱的截面承載力等比例縮小。我國(guó)現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50010-2010中鋼筋混凝土構(gòu)件正截面承載力的計(jì)算主要與截面尺寸和配筋率相關(guān),結(jié)合配筋及保護(hù)層厚度的設(shè)計(jì)規(guī)范,確定縮比模型柱的截面尺寸分別為300 mm×400 mm(寬b0×長(zhǎng)l0)和300 mm×300 mm(寬b1×長(zhǎng)l1),截面配筋率分別為ρ′0=1.3%,ρ′1=1.8%,試驗(yàn)鋼筋混凝土柱混凝土保護(hù)層厚度c=35 mm,高度h=5 000 mm,截面配筋形式如圖2所示。模型柱的材料選用與原型一致。

圖2 試驗(yàn)支柱的截面及配筋Fig.2 Sections and reinforcements of experimental columns

1.2 裝藥設(shè)計(jì)

選取某系列航空炸彈為研究對(duì)象,包含1 000磅級(jí)和2 000磅級(jí)等規(guī)格,其戰(zhàn)斗部裝藥均可近似為圓柱形,長(zhǎng)徑比L/D≈5.5。裝藥近距離爆炸時(shí),空氣沖擊波的正壓作用時(shí)間t+通常小于鋼筋混凝土柱的自振周期T,故按照沖量相似原理對(duì)戰(zhàn)斗部進(jìn)行縮尺設(shè)計(jì),試驗(yàn)藥量確定為10 kg及20 kg,裝藥形狀為圓柱形,長(zhǎng)徑比L/D=5.5。同時(shí)選用5 kg及10 kg球形裝藥進(jìn)行對(duì)照試驗(yàn)。試驗(yàn)裝藥采用熔鑄TNT炸藥,密度為ρTNT=1 630 kg/m3。

圖3 裝藥布設(shè)Fig.3 Explosive charge device

1.3 現(xiàn)場(chǎng)布置

柱的抗爆能力明顯強(qiáng)于墻壁等圍護(hù)結(jié)構(gòu),且圍護(hù)結(jié)構(gòu)不會(huì)將爆炸荷載傳達(dá)到支柱上[21],因此在野外試驗(yàn)場(chǎng)區(qū)營(yíng)建了單層鋼筋混凝土整體框架結(jié)構(gòu)的主要承重構(gòu)件(柱、梁、基礎(chǔ)與屋架等),以更好地模擬實(shí)際框架結(jié)構(gòu)中柱的初始邊界條件?，F(xiàn)場(chǎng)布置如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)構(gòu)件的布置Fig.4 Layout of experimental columns

1.4 工況設(shè)計(jì)

為保證試驗(yàn)的經(jīng)濟(jì)性、高效性,綜合正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法并考慮實(shí)際情況,設(shè)計(jì)了10種不同工況的爆炸試驗(yàn)(見表1)。

表1 鋼筋混凝土支柱試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 不同形狀裝藥爆炸對(duì)支撐柱的破壞作用

同比例距離條件下,進(jìn)行支撐柱在圓柱形、球形TNT炸藥爆炸作用下的對(duì)比試驗(yàn)。1～4炮次試驗(yàn)中鋼筋混凝土柱的損傷情況及試驗(yàn)結(jié)果分別如表2和表3所示。

表2 1～4炮次鋼筋混凝土柱損傷情況

表3 1～4炮次試驗(yàn)結(jié)果(迎爆中心區(qū)域)

由第1炮試驗(yàn)結(jié)果可以看出,1A柱發(fā)生彎剪破壞,柱存在明顯的剩余位移,兩端發(fā)生剪切破壞;迎爆部位混凝土完全破壞,側(cè)面及背爆面混凝土保護(hù)層大量崩落,剩余混凝土有裂縫分布?？v筋及箍筋露出,出現(xiàn)明顯變形及破壞。此時(shí)支撐柱1A使用功能完全喪失,無法修復(fù),柱遭受完全毀傷。

由第2炮試驗(yàn)結(jié)果可以看出,2A柱發(fā)生彎曲破壞;迎爆面中央呈帶狀區(qū)域混凝土保護(hù)層未破壞,兩側(cè)混凝土保護(hù)層呈三角錐狀破壞脫落;背爆面兩側(cè)混凝土脫落大于中央?yún)^(qū)域;箍筋內(nèi)部核心混凝土有少量破碎和裂紋?？v筋、箍筋暴露,但未發(fā)生變形及破壞。此時(shí)柱難以通過維修加固繼續(xù)使用,支撐柱2A遭受到重度破壞。

由第3炮試驗(yàn)結(jié)果可以看出,3A柱受到明顯的彎曲破壞,其試驗(yàn)結(jié)果與2A柱相似,但箍筋內(nèi)部核心混凝土破碎更加嚴(yán)重,支撐柱3A受到重度破壞。

由第4炮試驗(yàn)結(jié)果可以看出,4A柱僅發(fā)生表面破壞,柱整體無剩余位移;迎爆面中央帶狀區(qū)域混凝土保護(hù)層未破壞,僅兩側(cè)混凝土部分脫落,右側(cè)縱筋及箍筋露出;側(cè)面混凝土保護(hù)層呈倒三角錐狀破壞脫落,剩余混凝土表面有呈三角錐形式的裂紋向背爆面延伸;背爆面有裂紋橫貫背爆面;核心混凝土未破碎。此時(shí)柱的使用受到一定限制,經(jīng)過維修加固后可以繼續(xù)使用,支撐柱4A受到中度破壞。

2.2 不同支柱類型的抗爆性能差異

在相同裝藥形狀和相同比例距離工況下,對(duì)抗風(fēng)柱抗爆性能進(jìn)行第5、6炮次試驗(yàn),分別與3、4炮次試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,研究不同支柱類型鋼筋混凝土支柱抗爆性能的差異。5、6炮次試驗(yàn)中鋼筋混凝土柱的毀傷結(jié)果及毀傷情況分別如表4和表5所示。

表4 5、6炮次試驗(yàn)結(jié)果(迎爆中心區(qū)域)

表5 5、6炮次鋼筋混凝土柱毀傷情況

由第5炮試驗(yàn)結(jié)果可以看出,5B柱受到明顯的彎曲破壞;迎爆面混凝土保護(hù)層呈倒三角錐狀破壞脫落;側(cè)面的混凝土大量崩落,剩余混凝土表面有呈三角錐狀的裂紋;背爆面混凝土兩側(cè)混凝土崩落長(zhǎng)度大于中央?yún)^(qū)域;縱筋、箍筋暴露,但未受到到嚴(yán)重破壞;箍筋內(nèi)部核心混凝土大量破碎,有向背爆面延伸的裂紋。此時(shí)柱難以通過維修加固繼續(xù)使用,抗風(fēng)柱5B受到重度破壞。

由第6炮試驗(yàn)結(jié)果可以看出,6B柱受到表面破壞,迎爆面中央帶狀區(qū)域混凝土沒有破壞,僅兩側(cè)混凝土呈倒三角錐狀崩落;背爆面未出現(xiàn)混凝土的破碎崩落,有橫貫背爆面裂紋;縱筋及箍筋暴露,但沒有明顯的破壞;核心混凝土未發(fā)生破碎。此時(shí)柱需要一定維修加固方能繼續(xù)使用,抗風(fēng)柱6B受到中度破壞。

2.3 圓柱形裝藥對(duì)支撐柱的毀傷效果

采用圓柱形裝藥,測(cè)試了不同比例距離工況條件下支撐柱的毀傷情況。第1炮、第2炮分別對(duì)支撐柱造成了完全毀傷和重度毀傷。7～10炮次試驗(yàn)中鋼筋混凝土柱的毀傷結(jié)果及毀傷情況分別如表6和表7所示。

表6 7～9炮次試驗(yàn)結(jié)果(迎爆中心區(qū)域)

表7 7～9炮次鋼筋混凝土柱毀傷情況

由第7炮試驗(yàn)結(jié)果可看出,7A柱受到較為明顯的彎曲破壞;迎爆面混凝土保護(hù)層呈倒三角錐狀開坑破壞;側(cè)面混凝土大量脫落,剩余混凝土表面可見倒三角錐狀裂紋;背爆面混凝土保護(hù)層部分破碎崩落;部分縱筋、箍筋露出,但未受到明顯破壞;箍筋內(nèi)部核心混凝土破碎并出現(xiàn)裂紋。此時(shí)柱難以通過維修加固繼續(xù)使用,支撐柱7A遭受到重度破壞。

由第8炮試驗(yàn)結(jié)果可看出,8A柱發(fā)生明顯的表面破壞,迎爆中心位置有少量剩余位移;迎爆面混凝土呈倒三角錐狀開坑破壞;側(cè)面混凝土出現(xiàn)明顯的破碎剝落,剩余混凝土表面出現(xiàn)裂紋;背爆面混凝土兩側(cè)破壞大于中央?yún)^(qū)域;縱筋及箍筋暴露,但未受到明顯破壞;箍筋內(nèi)部核心混凝土未發(fā)生破碎。此時(shí)柱經(jīng)過維修加固仍能繼續(xù)使用,支撐柱8A遭受中度破壞。

由第9炮試驗(yàn)結(jié)果可看出,9A柱受到明顯的表面破壞。柱的損傷特征與8A相似,此時(shí)柱通過維修加固仍能繼續(xù)使用,支撐柱9A受到中度破壞。

第10炮幾乎未造成支撐柱的混凝土毀傷剝落,使用功能未受影響,毀傷程度為輕度毀傷,試驗(yàn)結(jié)果不再給出。

3 結(jié)果與討論

3.1 鋼筋混凝土柱破壞模式

鋼筋混凝土柱在裝藥爆炸產(chǎn)物及沖擊波作用下受壓迅速變形彎曲,迎爆面混凝土材料因裝藥爆炸而承受巨大壓力荷載出現(xiàn)壓縮破壞,其兩側(cè)因臨空面的存在,較中央?yún)^(qū)域更易破碎脫落;背爆面因柱的彎曲變形受到拉伸,抗拉強(qiáng)度較低的混凝土材料迅速出現(xiàn)拉伸斷裂破壞,出現(xiàn)裂紋甚至混凝土破壞崩落,加之柱內(nèi)部壓縮應(yīng)力波傳至背爆面反射形成的強(qiáng)拉伸波,形成層裂效應(yīng),進(jìn)一步造成背爆面及側(cè)面混凝土的破碎崩落。隨著比例距離的逐漸減小,鋼筋混凝土柱的破壞模式逐漸由柱無明顯剩余位移,側(cè)面及背爆面保護(hù)層出現(xiàn)裂紋的表面破壞,逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橹瑓^(qū)域塑性變形嚴(yán)重,混凝土保護(hù)層大量破壞,箍筋內(nèi)部核心混凝土出現(xiàn)不同程度破碎及裂紋,支柱出現(xiàn)剩余位移的彎曲破壞;最后轉(zhuǎn)變?yōu)楸Ｗo(hù)層及核心混凝土均嚴(yán)重破壞,柱腳、柱頭發(fā)生剪切破壞,支柱整體發(fā)生明顯彎曲變形的彎剪破壞。

3.2 裝藥形狀對(duì)柱毀傷效果的影響

通過1A與2A、3A與4A柱毀傷結(jié)果的對(duì)比可以看出:近距離爆炸時(shí),裝藥形狀能夠影響鋼筋混凝土柱的毀傷效果,且圓柱形裝藥的毀傷效果大于球形裝藥,破壞程度差異如表8所示。

表8 鋼筋混凝土柱破壞程度

破壞程度產(chǎn)生差異的原因是相同藥量裝藥爆炸產(chǎn)生的總能量相同,而球形裝藥與圓柱形裝藥爆炸能量分布不同:球形裝藥的沖擊波是同時(shí)向四面八方傳播的,可認(rèn)為能量均布于球面上;而在比例距離較小的范圍內(nèi),可認(rèn)為圓柱形裝藥的爆炸能量均布于與裝藥形狀相似的圓柱體表面上,對(duì)于長(zhǎng)徑比較大的圓柱形裝藥其側(cè)面面積遠(yuǎn)大于兩端面面積之和,故炸藥爆炸產(chǎn)生的能量也將集中分布于裝藥側(cè)面方向。因此試驗(yàn)中圓柱形裝藥對(duì)鋼筋混凝土支撐柱的毀傷效果更加明顯。

3.3 鋼筋混凝土支柱類型對(duì)毀傷效果的影響

表9 鋼筋混凝土柱破壞程度

3.4 鋼筋混凝土支撐柱的毀傷判據(jù)

表10 鋼筋混凝土柱試驗(yàn)結(jié)果

3.5 破壞等級(jí)劃分

為了判斷鋼筋混凝土支撐柱的破壞等級(jí),在試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,采用支座轉(zhuǎn)角θ作為劃分依據(jù),將支撐柱的破壞等級(jí)劃分如下:θ<0.5°,輕度破壞,破壞形式為少量表面混凝土破壞,鋼筋混凝土柱力學(xué)性質(zhì)幾乎未受影響,不影響其繼續(xù)使用;0.5°≤θ<1.5°,中度破壞,鋼筋混凝土柱迎爆位置開始出現(xiàn)剩余位移,側(cè)面混凝土呈倒三角錐狀破壞,背爆面出現(xiàn)裂紋,柱的承重能力有所降低,經(jīng)簡(jiǎn)單維修可繼續(xù)使用;1.5°≤θ<5°,重度破壞,混凝土材料遭受明顯的彎曲破壞,縱筋、箍筋暴露并受到破壞,使用功能受到嚴(yán)重限制,承重能力難以通過維修恢復(fù);θ≥5°,完全毀傷,核心混凝土破碎,箍筋散開,鋼筋混凝土柱喪失使用功能。支座轉(zhuǎn)角與破壞等級(jí)劃分的關(guān)系如圖5所示。

圖5 鋼筋混凝土柱的破壞等級(jí)Fig.5 Failure grade of reinforced concrete columns

4 結(jié)論

1)鋼筋混凝土柱在裝藥近距離爆炸荷載作用下,隨著比例距離的減小,柱的破壞程度逐漸增加,柱的破壞模式可分為表面破壞、彎曲破壞及彎剪破壞。

2)裝藥近距離爆炸時(shí),裝藥形狀能夠顯著影響對(duì)鋼筋混凝土柱的毀傷效果,相同工況下圓柱形裝藥造成的破壞程度明顯大于球形裝藥;支柱類型能夠影響柱的毀傷程度,相同工況條件下,鋼筋混凝土支撐柱的抗爆能力強(qiáng)于抗風(fēng)柱。

4)采用支座轉(zhuǎn)角θ作為鋼筋混凝土柱破壞等級(jí)的劃分依據(jù):θ<0.5°,輕度破壞,鋼筋混凝土柱力學(xué)性質(zhì)幾乎未受影響,不影響其繼續(xù)使用;0.5°≤θ<1.5°,中度破壞,柱的承重能力有所降低,經(jīng)簡(jiǎn)單維修可繼續(xù)使用;1.5°≤θ<5°,重度破壞,柱使用功能受到嚴(yán)重限制,承重能力難以通過維修恢復(fù);θ≥5°,完全毀傷,鋼筋混凝土柱喪失使用功能。

但需注意的是,此次毀傷判據(jù)及破壞等級(jí)劃分適用于本試驗(yàn)構(gòu)件的研究,要獲得普適性的毀傷判據(jù),需要進(jìn)行更多工況的試驗(yàn)研究,或結(jié)合理論推導(dǎo)或數(shù)值模擬的方法研究后提出。試驗(yàn)結(jié)果可為相應(yīng)的理論分析及數(shù)值模擬研究提供參考和驗(yàn)證,為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)廠房連續(xù)性倒塌研究奠定基礎(chǔ)。