王 毅（江西寧建投工程設(shè)計(jì)有限公司,江西 南昌 330029）

近年來(lái)，房屋建筑工程的數(shù)量得到快速發(fā)展，隨著各種先進(jìn)技術(shù)及高性能需求，房屋建筑行業(yè)開(kāi)始從數(shù)量逐漸轉(zhuǎn)向質(zhì)量要求。美國(guó)“911”事件造成的嚴(yán)重社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失使土木行業(yè)工作者開(kāi)始重視房屋建筑的抗爆破性能，研究者開(kāi)始不斷研究新式的高性能混凝土材料[1,2]。由于鋼筋混凝土板具有價(jià)格便宜、施工便利、性能優(yōu)良等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)中[3-5]。然而，在爆炸荷載作用下，鋼筋混凝土板容易出現(xiàn)破壞進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)坍塌。因此，開(kāi)展爆炸荷載作用下鋼筋混凝土板的動(dòng)力響應(yīng)是十分必要的。

研究者已經(jīng)開(kāi)展了大量爆炸荷載下鋼筋混凝土板力學(xué)響應(yīng)及損失特性方面的研究。何勇[6]等人基于數(shù)值仿真分析了比例距離對(duì)鋼筋混凝土板力學(xué)響應(yīng)及損傷特性的影響；孫加超[7]等利用有限元建立了細(xì)觀(guān)模型，獲取了鋼筋混凝土板的力學(xué)響應(yīng)和破壞特性；汪維[8]等人建立了方形鋼筋混凝土板仿真模型，分析爆炸距離對(duì)鋼筋混凝土板抗爆性能的影響，認(rèn)為非均布爆炸荷載作用下鋼筋混凝土板易發(fā)生局部沖切破壞；趙春風(fēng)[9]等人對(duì)縮尺鋼筋混凝土板進(jìn)行抗爆試驗(yàn)，提出了跨中撓度的計(jì)算方法。上述研究雖然表明鋼筋混凝土板的抗爆性能已經(jīng)有一定的研究基礎(chǔ)，但仍需要對(duì)單點(diǎn)接觸爆炸荷載作用下鋼筋混凝土板的力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)的研究。基于此，首先利用有限元建立了鋼筋混凝土板模型并進(jìn)行了驗(yàn)證，然后開(kāi)展了單點(diǎn)接觸爆炸荷載作用下鋼筋混凝土板的壓力、位移、鋼筋應(yīng)力-時(shí)程響應(yīng)分析。以期為提升房屋工程的抗爆性能提供一定借鑒，對(duì)于建設(shè)高質(zhì)量工程具有十分重要的意義。

1 鋼筋混凝土板有限元模型建立

依據(jù)規(guī)范GB 50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[10]利用LS-DYNA 有限元軟件建立鋼筋混凝土板模型，其結(jié)構(gòu)尺寸長(zhǎng)、寬、高分別為2000mm×2000mm×250mm，鋼筋的材料類(lèi)型為HRB400，鋼筋混凝土板內(nèi)部的受力鋼筋和分布鋼筋直徑均為6mm，間距為75mm，配筋方式采用單層雙向配筋，混凝土等級(jí)為C40，鋼筋的保護(hù)層厚度為25mm，邊界條件為四周固支。在鋼筋混凝土板有限元模型建立的過(guò)程中，混凝土本構(gòu)模型采用Mat-72R3材料模型，鋼筋采用Mat-03的本構(gòu)模型，均考慮了應(yīng)變率效應(yīng)的影響。鋼筋和混凝土單元之間采用共節(jié)點(diǎn)連接，爆炸荷載采用多物質(zhì)流固耦合法進(jìn)行施加[11-12]。

為分析接觸爆炸下沖擊波對(duì)鋼筋混凝土板的影響，以TNT 爆炸當(dāng)量0.1kg為初始爆炸當(dāng)量，以0.5kg逐步增加爆炸當(dāng)量，進(jìn)而分析不同條件下鋼筋混凝土板的動(dòng)力響應(yīng)狀態(tài)?；谏鲜鼋⒌挠邢拊Ｐ瓦M(jìn)行鋼筋混凝土板力學(xué)響應(yīng)的模擬分析，將中心位移及層裂半徑的仿真值與試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，如圖1所示。從圖中可以看出，兩個(gè)指標(biāo)的測(cè)試值和仿真值相差不大，誤差僅僅約8%，證實(shí)了上述鋼筋混凝土板模型建立的準(zhǔn)確性。

圖1 鋼筋混凝土板測(cè)試及仿真值對(duì)比

首先，選取0.1kg、1.5kg、2.5kg的炸藥爆炸當(dāng)量進(jìn)行力學(xué)響應(yīng)分析，鋼筋混凝土板的力學(xué)響應(yīng)與爆炸當(dāng)量存在顯著的相關(guān)性。當(dāng)爆炸當(dāng)量為0.1kg，鋼筋混凝土板迎爆面形成壓縮應(yīng)力波，其峰值超過(guò)混凝土抗壓強(qiáng)度，發(fā)生壓碎破壞但破壞面較??；背爆面混凝土受拉且未被破壞；當(dāng)爆炸當(dāng)量為1.5kg，鋼筋混凝土板迎爆面產(chǎn)生爆坑，背爆面的拉伸應(yīng)力波成倍增強(qiáng)，超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度，導(dǎo)致剝落破壞的產(chǎn)生形成震塌坑，上下面的爆坑未形成聯(lián)通[13-14]；當(dāng)爆炸當(dāng)量為2.5kg，板迎爆面及背爆面均形成爆坑且上下聯(lián)通，板發(fā)生貫穿性破壞。通過(guò)上述的分析可知，當(dāng)爆炸當(dāng)量為1.5kg 時(shí)，鋼筋混凝土板的迎爆面及背爆面均形成了爆坑但未連通，因此后續(xù)開(kāi)展該工況的分析，更利于解析爆炸沖擊波作用下板的力學(xué)響應(yīng)演變規(guī)律。

2 爆炸荷載作用下鋼筋混凝土板的力學(xué)分析

根據(jù)上述的仿真模型，以炸藥正下方為基準(zhǔn)點(diǎn)，每隔0.2m 取一個(gè)測(cè)點(diǎn)，分析爆炸荷載作用下鋼筋混凝土板的壓力-時(shí)程響應(yīng)曲線(xiàn)、位移-時(shí)程響應(yīng)曲線(xiàn)、鋼筋應(yīng)力-時(shí)程響應(yīng)曲線(xiàn)。

2.1 壓力-時(shí)程響應(yīng)曲線(xiàn)分析

測(cè)點(diǎn)1、測(cè)點(diǎn)2 及測(cè)點(diǎn)3 分別距離爆炸點(diǎn)0.2m、0.4m、0.6m，不同測(cè)點(diǎn)上方空氣的超壓時(shí)程曲線(xiàn)如圖2所示，從圖2 中可知，所有測(cè)點(diǎn)的超壓時(shí)程響應(yīng)曲線(xiàn)呈現(xiàn)正態(tài)分布的趨勢(shì)。距離爆炸點(diǎn)最近的測(cè)點(diǎn)1 的超壓峰值達(dá)到23.2MPa，當(dāng)距爆炸點(diǎn)距離越遠(yuǎn)，測(cè)點(diǎn)2 及測(cè)點(diǎn)3的超壓峰值越來(lái)越小，分別為13.2MPa、5.2MPa。

圖2 不同測(cè)點(diǎn)上方空氣的超壓時(shí)程曲線(xiàn)

2.2 位移-時(shí)程響應(yīng)曲線(xiàn)分析

基于上述建立的鋼筋混凝土板仿真模型，對(duì)爆炸當(dāng)量1.5kg 下的鋼筋混凝土板迎爆面的豎向位移進(jìn)行仿真模擬，鋼筋混凝土板的最大位移時(shí)程響應(yīng)曲線(xiàn)如圖3 所示。從圖中可知，整體上，鋼筋混凝土板迎爆面最大位移隨時(shí)間的增加呈現(xiàn)先增加后減小再增加的趨勢(shì)，表現(xiàn)為倒三角的形狀。鋼筋混凝土板的最大位移為9.5mm，此時(shí)的時(shí)間響應(yīng)為6s，當(dāng)位移到達(dá)最大峰值后，迎爆面的位移開(kāi)始向上減小，這主要是由于爆炸沖擊波作用下鋼筋沒(méi)有屈服，表現(xiàn)受拉的狀態(tài)促使鋼筋混凝土板面出現(xiàn)回彈的行為。通過(guò)上述分析，整體上，起爆后，爆炸荷載快速傳遞至鋼筋混凝土板并迅速在板內(nèi)部傳播，導(dǎo)致板快速發(fā)生變形，當(dāng)達(dá)到最大位移后由于鋼筋的受拉行為使得鋼筋混凝土板的位移開(kāi)始回彈變小，最后呈現(xiàn)中心對(duì)稱(chēng)的倒三角分布形狀。

圖3 鋼筋混凝土板迎爆面的最大豎向位移時(shí)程響應(yīng)曲線(xiàn)

2.3 應(yīng)力-時(shí)程響應(yīng)曲線(xiàn)分析

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的荷載由鋼筋及混凝土材料共同分擔(dān)，混凝土主要承受抗壓性能，鋼筋主要分擔(dān)抗拉性能?；谏鲜鼋⒌匿摻罨炷涟宸抡婺Ｐ?，對(duì)爆炸當(dāng)量1.5kg 下的鋼筋混凝土板內(nèi)部的鋼筋應(yīng)力進(jìn)行仿真模擬，鋼筋混凝土板內(nèi)部的鋼筋應(yīng)力-時(shí)程響應(yīng)曲線(xiàn)如圖4 所示。從圖中可以看出，炸藥爆炸后，在爆炸荷載的快速作用下，鋼筋混凝土板內(nèi)部的上層鋼筋呈現(xiàn)為受壓狀態(tài)，壓力值在0.5s 時(shí)快速達(dá)到峰值15×103Pa，隨后逐漸波動(dòng)降至0；下層鋼筋處于受拉狀態(tài)，爆炸后拉應(yīng)力在1s時(shí)快速達(dá)到峰值6×103Pa，整體的波動(dòng)浮動(dòng)低于上層鋼筋，隨后波動(dòng)消減至0。

圖4 鋼筋混凝土板內(nèi)部的鋼筋軸向應(yīng)力-時(shí)程響應(yīng)曲線(xiàn)

3 材料參數(shù)對(duì)鋼筋混凝土板的力學(xué)影響分析

基于上述建立的仿真模型，分析混凝土強(qiáng)度（30MPa、40MPa、50MPa、60MPa、70MPa）及鋼筋屈服強(qiáng)度（250MPa、350MPa、400MPa、500MPa）對(duì)鋼筋混凝土板內(nèi)部的最大位移的影響，計(jì)算結(jié)果如圖5所示。從圖5（a）中可以，爆炸荷載作用下鋼筋混凝土板內(nèi)部的最大位移與混凝土抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，當(dāng)混凝土強(qiáng)度為30MPa 時(shí)，鋼筋混凝土板內(nèi)部的最大位移為11.3mm；當(dāng)混凝土強(qiáng)度為70MPa時(shí)，鋼筋混凝土板內(nèi)部的最大位移為6.3mm，降幅達(dá)到44.2%。從圖5（b）中可以，爆炸荷載作用下鋼筋混凝土板內(nèi)部的最大位移與鋼筋屈服強(qiáng)度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，當(dāng)鋼筋屈服強(qiáng)度為250MPa時(shí)，鋼筋混凝土板內(nèi)部的最大位移為9.7mm；當(dāng)鋼筋屈服強(qiáng)度為500MPa時(shí)，鋼筋混凝土板內(nèi)部的最大位移為8.1mm，降幅達(dá)到16.5%。

圖5 材料參數(shù)對(duì)鋼筋混凝土板內(nèi)部最大位移的影響分析

4 結(jié)語(yǔ)

（1）當(dāng)爆炸當(dāng)量為0.1kg，鋼筋混凝土板迎爆面發(fā)生壓碎破壞但破壞面較?。槐潮婊炷潦芾椅幢黄茐?。當(dāng)爆炸當(dāng)量為1.5kg，鋼筋混凝土板迎爆面產(chǎn)生爆坑，背爆面形成震塌坑，但上下面爆坑未形成聯(lián)通。當(dāng)爆炸當(dāng)量為2.5kg，板迎爆面及背爆面均形成爆坑且上下聯(lián)通，發(fā)生貫穿性破壞。

（2）所有測(cè)點(diǎn)的超壓時(shí)程響應(yīng)曲線(xiàn)呈現(xiàn)正態(tài)分布的趨勢(shì)；鋼筋混凝土板迎爆面最大位移隨時(shí)間的增加呈現(xiàn)先增加后減小再增加的趨勢(shì)，表現(xiàn)為倒三角的形狀；鋼筋混凝土板內(nèi)部的上層鋼筋呈現(xiàn)為受壓狀態(tài)，壓力值在0.5s時(shí)快速達(dá)到峰值15×103Pa；下層鋼筋處于受拉狀態(tài)，爆炸后拉應(yīng)力在1s時(shí)快速達(dá)到峰值6×103Pa。

（3）爆炸荷載作用下鋼筋混凝土板內(nèi)部的最大位移與混凝土抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，當(dāng)混凝土強(qiáng)度從30MPa 增加至70MPa，鋼筋混凝土板內(nèi)部的最大位移從11.3mm 降至6.3mm，降幅為44.2%。爆炸荷載作用下鋼筋混凝土板內(nèi)部的最大位移與鋼筋屈服強(qiáng)度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，當(dāng)鋼筋屈服強(qiáng)度為250MPa 增至500MPa，鋼筋混凝土板內(nèi)部的最大位移從9.7mm 減小至8.1mm，降幅為16.5%。