李鵬飛，田超，趙耀輝，強霖

（1 淄博市建筑設計研究院有限公司，山東淄博 255000；2 淄博市魯中勘察設計審查咨詢中心，山東淄博 255000；3 山東省物化探勘察院，山東濟南 250013）

0 引言

隨著工業(yè)化的發(fā)展，化工類廠房的功能需求呈現(xiàn)多樣化，對結構抗爆設防提出了更高的要求。化工廠爆炸事件在世界范圍常有發(fā)生，爆炸產生沖擊波有作用力大、持續(xù)時間短、對建筑破壞大的特點。工業(yè)廠區(qū)內發(fā)生爆炸主要會造成以下危害：爆炸致使豎向承重構件破壞從而導致建筑物整體坍塌；沖擊波伴隨破碎玻璃、破碎砌塊的現(xiàn)象，對一定范圍內的人員造成傷害；因爆炸而導致的伴隨性火災則會導致人員大量傷亡[1]。為承受爆炸沖擊荷載以及解決結構承載力下降問題，大量研究人員采用碳纖維布加固的方式[2-4]。

淄博某石化工業(yè)園內某石化企業(yè)因生產工藝要求，廠房內的局部混凝土柱需驗算爆炸沖擊荷載作用，并對不滿足設計要求的混凝土柱進行加固。工業(yè)園廠區(qū)鳥瞰圖詳見圖1、需加固柱區(qū)域見圖2 陰影區(qū)。本文依托實際項目，截取受沖擊荷載作用的混凝土柱獨立建模，柱位置詳見圖2 中A 柱，模型輸入幾何參數(shù)、材料參數(shù)、邊界受力、邊界條件等。通過有限元軟件建模鋼筋混凝土柱不同碳纖維布加固模式（封閉纏繞粘貼、側面粘貼），分析柱受沖擊荷載作用下的應力、應變，并分析混凝土柱的破壞模式，為該項目混凝土柱加固設計提供一定的數(shù)據支持。

圖1 廠房效果鳥瞰圖

圖2 加固柱區(qū)域詳圖

1 模型的建立

構件建模使用有限元軟件ANSYS，截取受沖擊荷載作用的混凝土柱，根據實際受力情況建立模型，構件尺寸為600 mm×600 mm×4500 mm，縱筋為12Φ25，箍筋為Φ10@100/200?；炷林鶠? 節(jié)點的三維實體單元，鋼筋采用梁單元。鋼筋、混凝土柱不考慮界面滑移，兩種材料的連接使用共用節(jié)點，并對模型進行合理的網格劃分，采用映射方式劃分網格以確保計算精確，網格尺寸為20 mm。鋼筋和混凝土的材料參數(shù)如表1、表2 所示，有限元模型建立及網格劃分如圖3 所示。

表1 鋼筋的材料參數(shù)

表2 混凝土的材料參數(shù)

圖3 有限元模型

獨立柱模型截面規(guī)整，獨立柱模型定義為兩端固接。根據結構計算軟件PKPM（V1.3）讀取該柱所受初始力標準值，將其輸入至獨立柱有限元模型。進而在模型中增加爆炸產生的沖擊荷載，沖擊荷載實現(xiàn)方式為定義時間—荷載函數(shù)曲線，并作用于組元。影響構件應力應變的關鍵變量為爆炸荷載峰值，其余因素可忽略[5]。爆炸產生的沖擊荷載曲線詳見圖4，曲線峰值為15.0 MPa，達峰用時0.008 s，荷載持續(xù)時長1s。為避免構件產生應力集中，構件兩側增設剛體，以減少分析時長[6]。

圖4 柱側面的爆炸荷載曲線

2 數(shù)值模擬的結果及分析

取應力、應變較明顯的爆面中點為研究對象，該點位移時程曲線見圖5。通過分析時程曲線可知，當構件受沖擊荷載作用時，沖擊作用在0.008 s 時達峰，但位移未達峰。位移達峰存在滯后現(xiàn)象，在0.14 s 時位移達峰，此時對應位移最大值為10.26 mm。產生該現(xiàn)象的原因是構件存在一定的彈性性能，當沖擊作用消散后，構件存在變形回復現(xiàn)象，最終構件的塑性殘余變形約7.79 mm。 速度時程曲線見圖6。分析速度—時程曲線可知，構件于0.080 1 s 達峰，峰值速度為28.9 m/s，達峰后迅速回落至0 m/s，并在相當長的持續(xù)時間內構件存在微小振動現(xiàn)象。

圖5 柱中結點位移時程曲線

圖6 Z 方向的速度—時程曲線

構件應力、應變云圖分別見圖7、圖8。為使構件變形較為明顯地展示，將圖中構件變形放大10 倍。分析0.002 s 與0.013 s構件應變云圖可知，當構件受初始沖擊作用時，構件應力值較大且集中于兩端，該時段構件以剪切變形為主。隨著沖擊波持續(xù)作用，構件進入彎曲變形階段，該時段構件中部位移持續(xù)增大，截面受拉區(qū)域面積不斷增大，直至0.013 s 時，構件中部的位移達到最大值。

圖7 0.002s 與0.013s 構件應變云圖

圖8 0.002s 與0.013s 構件對比應力云圖

進而選取受拉區(qū)縱筋為研究對象，縱筋軸向應力時程曲線見圖9，分析縱筋軸向應力- 時程曲線可知，在爆炸沖擊作用下，0.13 s 時鋼筋應力達到屈服承載力400 MPa，之后隨著沖擊波的持續(xù)減小，鋼筋應力快速消散。

圖9 縱筋軸向應力時程曲線

3 對構件碳纖維布加固后的動力響應分析

3.1 加固方式

構件抗爆加固設計采用的方式是粘貼碳纖維布，利用專用粘結劑將碳纖維布粘貼至構件表面，并滿足規(guī)范中相關規(guī)定，從而起到提高構件承載力的作用。該項目抗爆加固設計擬采用全截面圍貼、對面粘貼的方式，擬采用的構件加固方案如圖10 所示。爆炸沖擊與加固作用面的空間關系如圖11 所示。加固材料性能參數(shù)如表3 所示。

表3 CFS 的材料性能參數(shù)

圖10 碳纖維布的粘貼方式

圖11 爆炸沖擊與加固作用面的空間關系

3.2 構件加固后數(shù)值模擬的結果及分析

該項目抗爆加固設計擬采用全截面圍貼、對面粘貼對鋼筋混凝土柱加固，對柱子加固前和加固后的效果進行對比。取爆炸荷載峰值為5 MPa、10 MPa、15 MPa，分析碳纖維布全截面圍貼加固、對面粘貼加固下混凝土柱的應力、應變曲線。

分析數(shù)據可知，若施加爆炸荷載峰值為5 MPa 時，采用全截面圍貼、對面粘貼方式加固的鋼筋混凝土柱位移較小，未產生明顯的應變，其應力、應變較大部位主要集中于柱底。

若施加爆炸荷載峰值為10 MPa 時，采用全截面圍貼、對面粘貼方式加固的鋼筋混凝土柱位移有較明顯變化。荷載達峰時，全截面圍貼加固的混凝土柱位移為2.895 mm，碳纖維布最大應力為1 063 MPa；對面粘貼加固的混凝土柱位移為4.793 mm，碳纖維布最大應力為2 053 MPa。由上述分析可知，對面粘貼方式加固的鋼筋混凝土柱較全截面圍貼加固的鋼筋混凝土柱，位移增大了38.7%，碳纖維布應力增大了51.5%。全截面圍貼加固可以有效減少構件應變，碳纖維布并未充分發(fā)揮其作用。

若施加爆炸荷載峰值為15 MPa 時，采用全截面圍貼、對面粘貼方式加固的鋼筋混凝土柱位移有明顯變化。荷載達峰時，全截面圍貼加固的混凝土柱位移為5.612 mm，碳纖維布最大應力為2 763 MPa；對面粘貼加固的混凝土柱位移為8.632 mm，碳纖維布最大應力為3 769 MPa。由上述分析可知，對面粘貼方式加固的鋼筋混凝土柱較全截面圍貼加固的鋼筋混凝土柱，位移增大了15.4%，碳纖維布應力增大了36.4%。碳纖維布并未充分發(fā)揮其作用，整個構件破壞現(xiàn)象較為嚴重。

采用全截面圍貼方式加固的鋼筋混凝土柱，柱子在全包碳纖維時，爆炸峰值荷載從10 MPa 增加到15 MPa，此時位移增大了2.717 mm，增大幅度為93.8%，而應力增加了1 700 MPa，增大了2.6 倍。采用對面粘貼方式加固的鋼筋混凝土柱，爆炸峰值荷載從10 MPa 增加到15 MPa，位移增大了3.842 mm，增大幅度為80.2%，同時應力增大了1 716 MPa，增大幅度為83.3%。

當爆炸荷載峰值為15 MPa 時，采用對面粘貼方式加固的鋼筋混凝土柱碳纖維布已經達到極限承載力，應變增幅較大，產生破壞現(xiàn)象較為嚴重。而采用全截面圍貼方式加固的鋼筋混凝土柱尚未達到應力極限。對面粘貼方式加固的鋼筋混凝土柱整體破壞現(xiàn)象更明顯。

4 結論

使用有限元軟件對鋼筋混凝土柱在爆炸荷載作用下的破壞模式進行分析。分析鋼筋混凝土柱不同方式碳纖維加固（封閉纏繞粘貼、側面粘貼）后的動力響應，通過對柱應力應變的分析表明：

1）構件受初始沖擊作用時，應力較大位置集中于兩端，該時段構件以剪切變形為主。隨著沖擊波持續(xù)作用，構件進入彎曲變形階段，該時段構件中部位移持續(xù)增大，截面受拉區(qū)域面積不斷增大；

2）對比全截面圍貼、對面粘貼對鋼筋混凝土柱的加固方式可知，全截面圍貼鋼筋混凝土柱加固承載能力明顯優(yōu)于對面粘貼。全截面圍貼加固鋼筋混凝土柱，此時碳纖維布作用同于柱內縱向鋼筋，并可提供圍箍效應，類似于柱內受剪箍筋，故可明顯改善構件的延性。