鋼筋混凝土柱的爆炸動(dòng)力響應(yīng)分析

董子健

20世紀(jì)90年代以來,恐怖襲擊有在全球范圍內(nèi)迅速蔓延的嚴(yán)峻趨勢。爆炸事件頻繁發(fā)生,隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,越來越多國際化大都市的出現(xiàn),越來越多的重要建筑物都可能成為恐怖分子制造恐怖事件的理想場所和重點(diǎn)目標(biāo)。為了抵御恐怖爆炸襲擊的破壞,提高建筑物的抗爆性能成為現(xiàn)在當(dāng)務(wù)之急的措施之一?？贡芯恐饕性诒ㄗ饔迷?、材料動(dòng)態(tài)本構(gòu)關(guān)系、構(gòu)件抗爆性能、整體結(jié)構(gòu)連續(xù)性倒塌和建筑物的抗爆防護(hù)措施等方面,然而,鋼筋混凝土柱作為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的重要受力構(gòu)件,其承載能力往往關(guān)系整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全性。所以對柱進(jìn)行抗爆研究,提高其抗爆性能,具有重要意義。

1 有限元模型的建立

1.1 材料參數(shù)

炸藥采用HIGH-EXPLOSIVE-BURN模型,JWL狀態(tài)方程如下,有關(guān)參數(shù)見表1。

表1 TNT炸藥模型材料參數(shù)

空氣采用NULL材料模型以及LINEAR-POLYNOM IAL狀態(tài)方程加以描述。線性多項(xiàng)式狀態(tài)方程為:

其中,P為壓力;V為相對體積;E為單位體積內(nèi)能。

鋼筋本構(gòu)模型采用LSDYNA中的三號(hào)材料模型,即隨動(dòng)強(qiáng)化模型,關(guān)鍵字為*MAT-PLASTIC-KINEMATIC。

混凝土本構(gòu)模型采用H-J-C模型。

1.2 單元選擇

混凝土單元采用SOLID164,LS-DYNA定義單元算法的關(guān)鍵字段成為*SECTION-SOLID-ALE。鋼筋單元采用Beam161梁單元,算法公式采用Hoghes-Liu梁單元。

1.3 計(jì)算模型

計(jì)算模型見圖1,圖2。根據(jù)爆炸沖擊荷載的特點(diǎn),取三種典型爆炸沖擊波進(jìn)行分析,如表2所示。

表2 RC柱加載情況表

2 計(jì)算分析

2.1 不同炸藥量對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響

取4種炸藥當(dāng)量19.7 kg,30.50 kg,45.5 kg,83.7 kg,從圖3中可以看出,當(dāng)炸藥量增大,柱中點(diǎn)X向位移和殘余位移均顯著增大,主要是因?yàn)闆_擊波反射峰壓隨炸藥量的增加而增大。位移最大值—炸藥當(dāng)量曲線呈現(xiàn)二次曲線形態(tài),這主要是由RC柱抗側(cè)剛度的非線性引起的。

2.2 不同炸藥距離對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響

將炸藥當(dāng)量固定為83.7 kg,其余不變。圖4給出了不同距離下RC柱中點(diǎn)X向的位移時(shí)程曲線圖。當(dāng)爆炸距離從5 m增加到8 m,柱中位移從8.4 cm降低到1.0 cm,由此說明爆炸距離也是構(gòu)件的動(dòng)力響應(yīng)的主要因素。

2.3 不同混凝土軸心抗壓強(qiáng)度對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響

對混凝土強(qiáng)度分別為20 MPa,25MPa,30 MPa,40 MPa的RC柱在工況3-1爆炸荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行分析,見圖5。

混凝土強(qiáng)度從C20增加到C30時(shí),RC柱中點(diǎn)的X向最大位移和殘余位移下降有限,但到C40時(shí)殘余位移較C30就顯著下降。這個(gè)主要是因?yàn)閺腃20～C30,RC柱在爆炸荷載下均發(fā)生剪切破壞,混凝土強(qiáng)度的增長對其抗爆性能的提高影響有限。

2.4 不同軸壓比對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響

在較小爆炸荷載下保持其他參數(shù)不變,僅僅改變軸壓比,RC柱中點(diǎn)X方向位移時(shí)程曲線如圖6所示。

當(dāng)柱子軸力較小時(shí),相當(dāng)于給了混凝土構(gòu)件一個(gè)預(yù)壓力,可以有效推遲混凝土受拉區(qū)單元在爆炸荷載下的破壞,從而提高了混凝土的抗爆性能。

3 結(jié)語

1)提出一種新的簡化計(jì)算模型,其考慮了柱周圍構(gòu)件的約束作用,分析結(jié)果具有較高的計(jì)算精度;2)影響鋼筋混凝土柱動(dòng)力響應(yīng)最大的外部因素是爆炸距離,因此,防爆最重要的措施是保證建筑的安全距離;3)提高混凝土軸心抗壓強(qiáng)度可以顯著降低鋼筋混凝土柱在爆炸荷載下的柱中水平位移;4)當(dāng)爆炸荷載較小時(shí),軸壓比對鋼筋混凝土柱的抗爆性能有很大影響,當(dāng)軸壓比低于0.5時(shí),其對柱的抗爆性能有利,當(dāng)軸壓比大于0.5時(shí),則容易導(dǎo)致柱因中部混凝土壓碎而破壞。

[1]Baker,W.E..Explosion in air.University of Texas Press,Austin,Texas,1973.W.E[M].江 科,譯.北京:原子能出版社,1982.

[2]LS-DYNA Version 971.Livermore Software Technology Corporation,2006.

[3]魏雪英,白國良.爆炸荷載下鋼筋混凝土柱的動(dòng)力響應(yīng)及破壞形態(tài)分析[J].解放軍理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2007,8(5):524-529.

[4]T.D.Ngo,P.A.Mendis Behavior of high-strength concrete columns subjected to blast loading.University of Melbourne,Australia.

[5]方 秦,陳 力,張亞棟,等.爆炸荷載作用下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)與破壞模式的數(shù)值分析[J].工程力學(xué),2007(S2):43-46.