高強(qiáng)鋼筋加強(qiáng)混凝土板抗爆性能試驗(yàn)研究

第一作者陳萬祥男，博士后，副教授，1977年生

高強(qiáng)鋼筋加強(qiáng)混凝土板抗爆性能試驗(yàn)研究

陳萬祥1,2，盧紅標(biāo)1，候小偉1，周布奎3(1. 解放軍理工大學(xué)爆炸沖擊防災(zāi)減災(zāi)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210007；2.中國礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇徐州221116； 3.總參工程兵第四設(shè)計(jì)研究院，北京100850)

摘要：對4組8塊鋼筋混凝土板進(jìn)行抗爆性能試驗(yàn)，研究鋼筋類型、配筋率、爆炸荷載峰值等因素對破壞形態(tài)、跨中位移、加速度及鋼筋應(yīng)變影響。結(jié)果表明，用導(dǎo)爆索代替炸藥可獲得典型的爆炸沖擊波荷載，并能施加預(yù)定的均布荷載作用。與普通鋼筋混凝土板相比，高強(qiáng)鋼筋混凝土板裂縫寬度減小、分布均勻，具有良好的抗爆性能。提高配筋率可明顯減小高強(qiáng)鋼筋混凝土板位移，配筋率為0.78%時(shí)較0.62%時(shí)位移減小64.02%；配筋率大于0.62%時(shí)加速度時(shí)程曲線較一致，高強(qiáng)鋼筋混凝土板整體剛度較好；隨配筋率增大，鋼筋應(yīng)變峰值、殘余應(yīng)變均明顯減小。爆炸荷載峰值對高強(qiáng)鋼筋混凝土板的動(dòng)態(tài)響應(yīng)有顯著影響，當(dāng)荷載峰值由0.0318 MPa增大到0.0945 MPa時(shí)，位移峰值、殘余位移分別增大3.63倍、4.80倍，加速度峰值增大近3倍。

關(guān)鍵詞：爆炸荷載；高強(qiáng)鋼筋；鋼筋混凝土板；試驗(yàn)研究；動(dòng)力響應(yīng)

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(51378498)；江蘇省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(BK20141066)；中國礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(SKLGDUEK1208)；國家創(chuàng)新研究群體科學(xué)基金項(xiàng)目(51321064)

收稿日期：2014-03-17修改稿收到日期：2014-04-24

中圖分類號:TU311；TU312文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Tests for anti-blast performance of concrete slabs with high-strength reinforcements under blast loading

CHENWan-xiang1,2,LUHong-biao1,HOUXiao-wei1,ZHOUBu-kui3(1. State Key Laboratory of Disaster Prevention & Mitigation of Explosion & Impact, PLA University of Science and Technology, Nanjing 210007, China； 2. State Key Laboratory for Geomechanics & Deep Underground Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China；3. Beijing Canbao Architectural Design Institute, Beijing 100850, China)

Abstract:The blast-resistant capacities of 8 concrete slabs with high-strength reinforcements divided into 4 groups under blast loading were studied with tests. The effects of reinforcement types, reinforcement ratios, and peak values of blast loading etc on their failure configurations, span center’s displacement and acceleration, and strains of reinforcements were investigated. The test results showed that the typical blast loading can be derived by substituting detonating cords for explosive charges, and the predetermined uniform blast loading can be applied on the slabs; compared with common reinforced concrete slabs, the crack widths of the concrete slabs with high-strength reinforcements decrease and become uniform, they have good blast-resistant capacities; the displacements of concrete slabs with high-strength reinforcements can be reduced greatly by increasing reinforcement ratios, the displacements with reinforcement ratio of 0.78% decrease by 64.02% compared with those using reinforcement ratio of 0.62%; the time-history curves of accelerations are consistent each other when reinforcement ratios are greater than 0.62%; there are good global rigidities for concrete slabs with high-strength reinforcements; both peak values of strains and residual strains of high-strength reinforcements decrease with increase in reinforcement ratios; the peak values of blast loading have obvious influences on the dynamic responses of concrete slabs with high-strength reinforcements; the peak values of displacements and the residual displacements incrase by 3.63 times and 4.80 times, respectively when the peak values of blast loading increase from 0.0318MPa to 0.0945MPa, and the peak values of accelerations increase by nearly 3 times.

Key words:blast loading; high-strength reinforcement; reinforced concrete (RC) slab; experimental study; dynamic response

由于各種爆炸事件頻發(fā)，工程結(jié)構(gòu)的抗沖擊/爆炸性能頗受關(guān)注[1-4]。為提高結(jié)構(gòu)抗沖擊爆炸能力，已開發(fā)研究出各種新材料，如鋼纖維混凝土及粘貼碳纖維布、粘貼鋼板混凝土結(jié)構(gòu)等[5]。高強(qiáng)鋼筋(Higher High Tensile，HHT)作為新型鋼筋，具有抗拉強(qiáng)度高、可塑性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，既能減少鋼筋消耗量、節(jié)省資源，亦能提高結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備，在防護(hù)工程中具有廣闊的應(yīng)用前景。

混凝土板受爆炸荷載作用響應(yīng)及局部破壞效應(yīng)為研究混凝土結(jié)構(gòu)抗沖擊爆炸設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[6-8]。由于鋼筋混凝土材料的不均勻性及在強(qiáng)動(dòng)載作用下的高度非線性，使其求解非常復(fù)雜。理論研究、數(shù)值仿真的可信度有賴于假設(shè)條件及本構(gòu)模型的合理性，因此試驗(yàn)研究仍為獲得結(jié)構(gòu)響應(yīng)及破壞特征參數(shù)的重要手段。Pedro等[9-13]通過對普通鋼筋混凝土板進(jìn)行抗爆試驗(yàn)研究，分析混凝土構(gòu)件動(dòng)態(tài)響應(yīng)規(guī)律及破壞形態(tài)。孫文彬等[14-15]試驗(yàn)研究普通鋼筋混凝土板的抗爆動(dòng)力響應(yīng)及破壞特征。王德榮等[16-17]則對鋼纖維增強(qiáng)鋼筋混凝土板受化爆作用的動(dòng)態(tài)響應(yīng)及震塌特征進(jìn)行試驗(yàn)研究。周布奎等[18-19]分別對GFRP加固鋼筋混凝土板、高強(qiáng)鋼絞線網(wǎng)-聚合物砂漿加固鋼筋混凝土板的抗爆性能試驗(yàn)研究。均為混凝土構(gòu)件抗爆性能的理論分析、數(shù)值仿真提供了直接的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

本文利用解放軍理工大學(xué)大型高抗力爆坑，分別對普通鋼筋(HRB400)加強(qiáng)混凝土板及高強(qiáng)鋼筋(HHT600)加強(qiáng)混凝土板的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1試驗(yàn)概況

1.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

制作8塊鋼筋混凝土板(普通鋼筋混凝土板、高強(qiáng)鋼筋混凝土板各4塊)，截面尺寸為邊長L=2 700 mm，厚h=100 mm，保護(hù)層厚15 mm；混凝土強(qiáng)度等級C40；四邊簡支。配筋及擬加荷載見表1，鋼筋、混凝土力學(xué)性能見表2、表3。

表1　配筋形式及擬加荷載

表2　鋼筋材料性能

表3　混凝土材料性能

1.2測試方案

采用導(dǎo)爆索(主要成分為黑索金)進(jìn)行非接觸爆炸加載。擬加荷載峰值分別為0.03 MPa、0.05 MPa、0.10 MPa，對應(yīng)導(dǎo)爆索理論長度分別為6 m、7 m、14 m。量測儀表包括數(shù)據(jù)采集器(Dp939N)、電阻應(yīng)變片(BX120-5AA)、壓力傳感器(CA-YD-205)、位移傳感器(BWG2-100)、加速度傳感器(CA-YD-107)。爆坑及測試方案見圖1。

圖1　試驗(yàn)裝置 Fig.1 Test set-up

圖2　壓力測點(diǎn)布置 Fig.2 Measurement plan of pressure

為獲得自由空氣沖擊波壓力時(shí)程曲線，在板邊布置4個(gè)壓力傳感器，見圖2。圖3為鋼筋混凝土板位移、加速度及鋼筋應(yīng)變測點(diǎn)布置，其中Di為位移測點(diǎn)；Ai為加速度測點(diǎn)；Si為鋼筋應(yīng)變測點(diǎn)。為防止傳感器損壞，位移、加速度及應(yīng)變均布置多各測點(diǎn)，重點(diǎn)考察板中心的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。不同長度導(dǎo)爆索采用“之”字形均勻置于試驗(yàn)板上方100 mm處，進(jìn)行電雷管中點(diǎn)起爆(圖1(a))。

圖3　位移、加速度及應(yīng)變測點(diǎn)布置 Fig.3 Measurement plan of displacement, acceleration and strain

1.3空氣沖擊波壓力

用導(dǎo)爆索爆炸模擬均布沖擊波荷載，據(jù)表1擬加荷載截取不同長度導(dǎo)爆索，通過空壓傳感器量測板邊自由空氣沖擊波壓力。不同長度導(dǎo)爆索爆炸峰值壓力見表4。由表4知，隨導(dǎo)爆索長度減小，壓力峰值迅速下降。同一爆炸各測點(diǎn)壓力峰值相差不大，接近均布沖擊波荷載。

表4　爆炸荷載峰值壓力

圖4　壓力時(shí)程曲線 Fig.4 Time-history curves of pressure

具有代表性的P1測點(diǎn)在不同爆炸下的自由空氣沖擊波時(shí)程曲線見圖4。由圖4看出，導(dǎo)爆索長度6 m、7 m、14 m、18 m對應(yīng)的壓力峰值分別為0.025 9 MPa、

0.031 8 MPa、0.073 9 MPa、0.094 5 MPa。壓力時(shí)程曲線由正、負(fù)壓段組成，作用時(shí)間均在0.65 ms左右，且正壓峰值越大對應(yīng)的負(fù)壓峰值越大。壓力峰值隨時(shí)間迅速衰減，且衰減規(guī)律基本相同，說明用導(dǎo)爆索代替炸藥可獲得典型爆炸沖擊波荷載。

2試驗(yàn)結(jié)果與分析

不同爆炸荷載作用下8塊鋼筋混凝土板背爆面破壞見圖5。由圖5看出，爆炸荷載峰值、配筋率及鋼筋布置方式相同時(shí)，兩種鋼筋混凝土板背爆面均出現(xiàn)不同程度裂縫，主裂縫沿板對角線方向伸展，板中央出現(xiàn)矩形破壞區(qū)，呈典型的雙向受彎破壞特征。普通鋼筋混凝土板的裂縫比高強(qiáng)鋼筋混凝土板寬，裂縫分布不均勻。由圖5(a)～(d)知，爆炸荷載峰值接近情況下，鋼筋間距對裂縫開展、分布影響明顯：鋼筋間距較大時(shí)，背爆面主裂縫較寬，裂縫間距較大，破壞較嚴(yán)重，呈脆性破壞特征，表明混凝土達(dá)到極限抗拉強(qiáng)度后開裂，彎曲應(yīng)力迅速由受拉鋼筋承擔(dān)。由圖5(e)～(h)知，鋼筋直徑對板的破壞形態(tài)影響明顯：爆炸荷載峰值相同時(shí)，鋼筋直徑越粗背爆面裂縫分布越均勻，裂縫寬度越小。此外，由圖5(c)、(g)知，鋼筋間距接近情況下，盡管施加在HS08-1上的爆炸荷載峰值達(dá)到HS02-1的2倍多，但HS08-1背爆面的裂縫寬度較HS02-1小得多，分布較均勻，表現(xiàn)出良好的抗爆性能。隨爆炸荷載峰值增大，鋼筋混凝土板迎爆面均逐步出現(xiàn)橢圓形塌陷區(qū)域，背爆面中央外鼓，表明該板的破壞模式為由彎曲破壞轉(zhuǎn)為剪切破壞趨勢。與文獻(xiàn)[4，15]結(jié)果一致。此因隨爆炸峰值壓力增大，結(jié)構(gòu)中高頻荷載分量增

圖5　試件破壞情況 Fig.5 Failure models of reinforced concrete slabs after test

加，剪應(yīng)力迅速增大到破壞應(yīng)力而彎曲變形尚未來得及發(fā)展導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剪切破壞[20]。而高強(qiáng)鋼筋混凝土板塌陷區(qū)不及普通鋼筋混凝土板明顯，說明高強(qiáng)度鋼筋可承受更大爆炸剪切荷載作用，可在一定程度上改善構(gòu)件的剪切破壞。爆炸荷載增大時(shí)板背爆面混凝土有崩落傾向，此因爆炸壓縮波到達(dá)板下表面時(shí)會(huì)形成反射拉伸波，且反方向傳播，與入射波相互疊加形成復(fù)合波。反射拉伸波峰值超過壓縮波并大于混凝土動(dòng)態(tài)極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，混凝土即發(fā)生斷裂，導(dǎo)致背爆面混凝土崩落，發(fā)生震塌破壞。

3主要影響因素分析

研究表明，爆炸荷載特征與結(jié)構(gòu)材料性能對鋼筋混凝土構(gòu)件的動(dòng)態(tài)響應(yīng)有重要影響。

3.1鋼筋類型對抗爆性能影響

為研究鋼筋類型對鋼筋混凝土板抗爆性能影響，將試驗(yàn)板分為HS01、HS02、HS06、HS08等4組，每組包括HRB400、HHT600各1塊；同組鋼筋布置方式、配筋率及擬加荷載較接近?？缰懈浇灰?、鋼筋應(yīng)變時(shí)程曲線對比見圖6～圖8。由于HS01組位移超出理論預(yù)估值，儀表損壞未采集到數(shù)據(jù)。

圖6　跨中位移時(shí)程曲線 Fig.6 Time-history curves of span displacements

圖7　加速度時(shí)程曲線 Fig.7 Time-history curves of accelerations

圖8　鋼筋應(yīng)變時(shí)程曲線 Fig.8 Time-history curves of reinforcement strains

防護(hù)結(jié)構(gòu)抗爆能力鑒定方法有兩種，即變形狀態(tài)及承載能力。由于構(gòu)件承載能力難以確定，試驗(yàn)中可將變形狀態(tài)作為衡量指標(biāo)。由圖6看出，鋼筋混凝土板受爆炸作用位移迅速增到最大值后激烈振蕩并逐漸減小，此因爆炸荷載達(dá)到峰值后迅速衰減引起的結(jié)構(gòu)振動(dòng)。導(dǎo)爆索較短時(shí)，在爆炸正壓作用過后，鋼筋混凝土板的振動(dòng)較快消失，并出現(xiàn)殘余位移；導(dǎo)爆索較長時(shí)，鋼筋混凝土板的位移在恢復(fù)過程中出現(xiàn)一次較強(qiáng)烈振蕩，此因沖擊波負(fù)壓引起的反跳現(xiàn)象，對某些防護(hù)結(jié)構(gòu)(尤其柔性結(jié)構(gòu))應(yīng)引起足夠重視。圖6(b)中HS06-2導(dǎo)爆索實(shí)際長度18 m，而HS06-1的導(dǎo)爆索長度為14 m(表4)，故配有高強(qiáng)鋼筋板的峰值位移大于普通鋼筋；由于爆炸荷載峰值較大，HS08-1變形嚴(yán)重，D1儀表失效，圖6(c)中HS08-1的位移采用D2數(shù)據(jù)，而HS08-2的位移為D1數(shù)據(jù)，導(dǎo)致HS08-2位移大于HS08-1。另外，HS08-2在爆炸前進(jìn)行2 m長導(dǎo)爆索的預(yù)加載，一定程度上影響HS08-2的跨中位移。由圖7可知，4組鋼筋混凝土板的跨中加速度時(shí)程曲線較相似，但加速度峰值有差別，爆炸荷載越大加速度峰值越大。當(dāng)導(dǎo)爆索長度為6 m時(shí)，兩種鋼筋混凝土板的加速度時(shí)程曲線較一致，加速度峰值均在34.29 m/s2左右；當(dāng)導(dǎo)爆索長度為14 m時(shí)，加速度峰值差別較大，高強(qiáng)鋼筋混凝土板加速度峰值達(dá)341.40 m/s2，較普通鋼筋混凝土板高出39.91%?？梢?，高強(qiáng)鋼筋混凝土板在爆炸荷載作用過程中裂縫細(xì)而密，能保持較好剛度，因而可承受較大振動(dòng)荷載，而普通鋼筋混凝土板由于裂縫較寬，振動(dòng)中耗能較多，剛度降低明顯，傳遞振動(dòng)能力減弱。由圖8可見，4組鋼筋混凝土板的鋼筋應(yīng)變峰值及殘余應(yīng)變均有明顯差別?？傊?，高強(qiáng)鋼筋殘余應(yīng)變小于普通鋼筋，即高強(qiáng)鋼筋的彈性恢復(fù)能力較強(qiáng)。

3.2配筋率對抗爆性能影響

混凝土屬于脆性材料，其抗拉強(qiáng)度一般為抗壓強(qiáng)度的1/8～1/20，一旦開裂荷載將由受拉鋼筋承擔(dān)，故配筋率對鋼筋混凝土構(gòu)件的動(dòng)力響應(yīng)特征及破壞模式有重要影響。HS01-2與HS02-2、HS06-2與HS08-2在不同爆炸作用下的跨中位移、加速度及鋼筋應(yīng)變時(shí)程曲線對比見圖9～圖11。由圖9看出，爆炸荷載峰值相同時(shí)，配筋率為0.62%的HS06-2與配筋率為0.78%的HS08-2位移時(shí)程曲線形狀相似，但峰值及殘余相差較大。HS06-2位移峰值及殘余位移較HS08-2分別高出64.02%、173.69%，說明高強(qiáng)鋼筋配筋率對位移影響顯著。由圖10可見，HS06-2與HS08-2的加速度峰值及加速度波形較一致，而HS01-2與HS02-2的加速度峰值差別明顯。HS01-2的加速度峰值34.29 m/s2僅為HS02-2的27.47%，說明高強(qiáng)鋼筋配筋率較高(≥0.62%)時(shí)，裂縫數(shù)量少、寬度變小，

圖9 跨中位移時(shí)程曲線Fig.9Time-historycurvesofspandisplacements圖10 加速度時(shí)程曲線Fig.10Time-historycurvesofaccelerations

圖11　鋼筋應(yīng)變時(shí)程曲線 Fig.11 Time-history curves of reinforcement strains

鋼筋混凝土板剛度保持較好，因而加速度峰值差別不大；而配筋率較小(≤0.22%)時(shí)，鋼筋混凝土板在爆炸荷載作用下出現(xiàn)不同程度裂縫，其數(shù)量、寬度對板的振動(dòng)能量有重要影響，因而量測的加速度峰值差別較大。由圖11可知，HS02-2、HS08-2的鋼筋應(yīng)變峰值分別達(dá)到-4 772.77 με、-12 288.90 με，而HS01-2、HS06-2的鋼筋應(yīng)變峰值分別只有-221.25 με、-6 993.42 με，最大相差21倍。由于本試驗(yàn)荷載條件下，高強(qiáng)鋼筋的抗拉性能均未充分發(fā)揮，因而在爆炸荷載作用后鋼筋殘余應(yīng)變不大，表現(xiàn)出較好的彈性性能。

3.3爆炸荷載對抗爆性能影響

為研究爆炸荷載峰值對主要?jiǎng)討B(tài)參數(shù)影響，選鋼筋間距、鋼筋數(shù)量相同的HS02-2與HS06-2跨中位移、加速度及鋼筋應(yīng)變時(shí)程曲線對比分析，見圖12～圖14。導(dǎo)爆索長度分別為7 m、18 m。由圖12看出，兩塊鋼筋混凝土板跨中位移時(shí)程曲線相差較大，HS06-2位移峰值、殘余位移分別達(dá)115.38 mm、69.71 mm，為HS02-2的3.63倍、4.80倍。沖擊波正壓作用后HS06-2出現(xiàn)較明顯的振蕩過程，而HS02-2此過程較平穩(wěn)，原因?yàn)楸ê奢d峰值較大時(shí)對應(yīng)的負(fù)壓峰值較大(達(dá)-0.02 MPa，約為正壓峰值的21%)，導(dǎo)致鋼筋混凝土板明顯反跳現(xiàn)象。由圖13可見，HS06-2加速度峰值達(dá)341.44 m/s2，而HS02-2加速度峰值僅124.81 m/s2，相差近3倍。由圖14看出，爆炸荷載峰值越大，鋼筋混凝土板所受動(dòng)彎矩作用越大，因而相應(yīng)的鋼筋應(yīng)變值越大。爆炸荷載峰值為0.031 8 MPa時(shí)，鋼筋殘余應(yīng)變只有69.33 με，而爆炸荷載峰值增到0.094 5 MPa時(shí)，鋼筋殘余應(yīng)變高達(dá)3592.61με，差值達(dá)到51.81倍。另外，HS02-2鋼筋在恢復(fù)變形中有一緩慢振蕩階段，彈性性能保持較好，而HS06-2此過程較陡峭，此因爆炸荷載峰值越大，比沖量迅速增加，正壓作用時(shí)間隨之減少(圖4)，加之荷載高頻分量影響，鋼筋易屈服，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生剪切破壞跡象(圖5)。

圖12 跨中位移時(shí)程曲線Fig.12Time-historycurvesofspandisplacements圖13 加速度時(shí)程曲線Fig.13Time-historycurvesofaccelerations圖14 鋼筋應(yīng)變時(shí)程曲線Fig.14Time-historycurvesofreinforcementstrains

4結(jié)論

通過4組8塊鋼筋混凝土板的抗爆性能試驗(yàn)，分析鋼筋類型、配筋率、爆炸荷載峰值等因素對破壞形態(tài)、跨中位移、加速度及鋼筋應(yīng)變等主要參數(shù)影響，結(jié)論如下：

(1)利用現(xiàn)有試驗(yàn)裝置，采用長度4～18 m的導(dǎo)爆索可獲得峰值壓力0.022～0.099 MPa典型的爆炸沖擊波荷載。

(2)8塊鋼筋混凝土板背爆面均出現(xiàn)不同程度的裂縫，主裂縫沿板對角線方向伸展，板中央出現(xiàn)矩形破壞區(qū)，呈現(xiàn)典型的雙向受彎破壞特征。爆炸荷載峰值較大時(shí)，鋼筋混凝土板出現(xiàn)橢圓形塌陷現(xiàn)象，破壞模式由彎曲破壞轉(zhuǎn)為剪切破壞趨勢。

(3)高強(qiáng)鋼筋配筋率較大時(shí)，鋼筋混凝土板剛度較好，加速度峰值時(shí)程曲線較一致；配筋率較小時(shí)，加速度峰值明顯小于高配筋率。鋼筋間距及數(shù)量相同時(shí)，高強(qiáng)鋼筋混凝土板跨中位移、加速度及鋼筋應(yīng)變峰值均隨爆炸荷載峰值增大增加明顯。

(4)高強(qiáng)鋼筋混凝土板較普通鋼筋混凝土板抗爆性能更好，在防護(hù)工程中應(yīng)用前景廣闊。

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