爆炸荷載作用下框架結(jié)構(gòu)的損傷機理研究

摘 要:爆炸荷載可能導(dǎo)致框架結(jié)構(gòu)出現(xiàn)連續(xù)倒塌，為研究結(jié)構(gòu)物整體的抗爆性能，本文采用AUTODYN對鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)在爆炸荷載作用下的破壞過程進行了數(shù)值模擬，模型考慮了炸藥-空氣-結(jié)構(gòu)之間的流固耦合相互作用，分析了框架結(jié)構(gòu)的破壞機理，模擬結(jié)果較合理地展現(xiàn)了框架結(jié)構(gòu)的損傷過程。

關(guān)鍵詞:爆炸荷載 沖擊波 峰值超壓 框架結(jié)構(gòu) 數(shù)值模擬

中圖分類號:TU7文獻標識碼:A 文章編號:1674-098X(2012)04(b)-0013-02

國內(nèi)外爆炸事件的頻繁發(fā)生，以及其帶來的大量人員傷亡和財產(chǎn)損失，使研究人員和工程設(shè)計人員對建筑結(jié)構(gòu)抗爆性能的研究越來越多，但大多數(shù)研究局限于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件，如梁、板和柱等在爆炸荷載作用下的動力響應(yīng)及損傷機理，對于整體框架結(jié)構(gòu)的損傷破壞方面的研究較少。本文運用AUTODYN軟件對爆炸荷載作用下框架結(jié)構(gòu)的損傷過程進行了數(shù)值模擬，分析了結(jié)構(gòu)的破壞機理，以期為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗爆性能評估及抗爆防護提供參考。

1 數(shù)值模型

根據(jù)實際尺寸建立鋼筋混凝土框架的有限元數(shù)值分析模型，層高4.0m，長度方向柱距6.0m，鋼筋混凝土柱截面尺寸為400mm×400mm，梁截面尺寸為200mm×500 mm，柱腳假設(shè)固接于地面。鋼筋混凝土框架采用整體式模型，用Lagrange網(wǎng)格進行模擬，單元總數(shù)為262，600;空氣采用Euler-FCT算法，單元數(shù)為168，000，空氣邊界面設(shè)為物質(zhì)流出。在建模時將結(jié)構(gòu)簡化，忽略外圍護結(jié)構(gòu)對倒塌模擬的影響。炸藥采用當量TNT，爆心位置距長度方向中間柱外邊緣1.0m，距地面高度1.0m。

2 材料模型

2.1 空氣的材料模型

在數(shù)值模擬中，通常將空氣假定為理想氣體，其性能一般采用線性多項式的狀態(tài)方程來描述，根據(jù)Gama準則，其可以表示為: (1)

式中:P為氣體壓力，是比熱比，ρ表示空氣的當前密度，是初始時刻的空氣密度，E為氣體單位體積的內(nèi)能。

2.1 炸藥的材料模型

對于不同炸藥爆炸的數(shù)值模擬，一般采用經(jīng)驗的Jones-Wilkins-Lee，即JWL狀態(tài)方程來描述炸藥爆轟過程中壓力和內(nèi)能及其相對體積的關(guān)系[8]，

(2)

式中:P為爆炸產(chǎn)生的壓力;V為單位體積裝藥產(chǎn)生的爆轟產(chǎn)物的體積，即壓力為P時的體積與初始體積的比值;E是爆轟產(chǎn)物單位體積的內(nèi)能;A，B，R1，R2和ω是由相關(guān)爆炸實驗來確定的材料常數(shù)。對于TNT炸藥，密度為1630kg/m3，單位體積的內(nèi)能為6.0×109J/m3，其相關(guān)參數(shù)為，A=3.737×102GPa，B=3.747 GPa，R1=4.15，R2=0.9，ω=0.35。

2.3 鋼筋混凝土的材料模型

一般鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋布置密集，建立鋼筋與混凝土材料的分離模型較為復(fù)雜，而且由于計算機能力的限制，建立分離式模型將導(dǎo)致單元數(shù)目過大而無法計算，因此采用整體式模型建立框架結(jié)構(gòu)。在整體式模型中，將鋼筋彌散于整個單元中，并把單元看作為連續(xù)均勻材料，通過提高混凝土的抗拉強度來增加單元整體的抗拉性能。材料本構(gòu)關(guān)系采用Von-Mises屈服準則，具體參數(shù)見表1。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

爆炸沖擊波的殺傷和破壞作用主要取決于峰值超壓的大小及持續(xù)時間，也就是爆炸沖擊波的沖量大小。分別在1～3層柱子中間定義測點1、測點2和測點3，如圖3(a)所示，得到迎爆面柱子各測點上的超壓時程曲線，由圖1可知，峰值超壓衰減迅速，僅能影響有限范圍內(nèi)的柱子，這跟炸藥量的大小和爆心的位置有關(guān)。圖2為頂層樓面中心的豎向振動速度，由圖可知，頂層樓面在爆炸沖擊波的作用下向下運動，出現(xiàn)向下的位移。

圖3(a-f)顯示了鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的破壞過程，分別為0，4，10，20，30，40ms時的損傷圖。爆炸剛發(fā)生時，靠近爆心的底層柱在強大的爆炸沖擊波作用下，首先在柱腳和柱頂發(fā)生混凝土的沖剪破壞，隨著柱子端部約束的減弱，上層樓板失去支撐，梁板構(gòu)件產(chǎn)生應(yīng)力重分布，使樓板裂縫增多，由于底層柱破壞最嚴重，導(dǎo)致第二層樓板破壞較嚴重，其余各層損傷程度較輕;爆炸沖擊波結(jié)束后，在慣性作用下結(jié)構(gòu)繼續(xù)發(fā)生位移，部分承重柱的失效導(dǎo)致結(jié)構(gòu)重心偏移，建筑物整體在自重作用下破壞加劇，上層樓板相繼在薄弱位置出現(xiàn)裂縫。因此，承重柱的抗爆性能直接影響整體結(jié)構(gòu)的破壞，應(yīng)加強柱子上下兩端特別是柱腳的抗沖切能力，防止柱端首先發(fā)生失效，避免結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌。

4 結(jié)語

本文采用AUTODYN軟件對爆炸荷載作用下鋼筋混凝土框架的動力響應(yīng)及破壞機理進行了數(shù)值模擬分析，結(jié)果表明，鋼筋混凝土框架在爆炸荷載作用下，底層柱兩端在爆炸荷載作用下首先發(fā)生沖剪破壞，使柱上樓板失去支撐，柱上梁板構(gòu)件間產(chǎn)生應(yīng)力重分布，引起結(jié)構(gòu)重心偏移，建筑物整體在自重作用下破壞。

參考文獻

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[2] 閻石，王丹，張亮，孫靜.爆炸荷載作用下鋼筋混凝土柱損傷FEM分析[J].工程力學(xué)，2008.

[3]龔順風，金偉良，何勇.內(nèi)部爆炸荷載作用下鋼筋混凝土板的動力響應(yīng)研究[J].振動工程學(xué)報，2008.