鋼筋混凝土梁爆損后生存能力計算與分析

彭　蕓　富　裕

(西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院　四川綿陽　621010)

?

鋼筋混凝土梁爆損后生存能力計算與分析

彭蕓富裕

(西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院四川綿陽621010)

摘要：為了評估鋼筋混凝土梁在爆炸受損后的生存能力，以確定其繼續(xù)服役的可能性，控制修復(fù)加固的工程量和造價，利用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA數(shù)值模擬分析了在不同炸藥量、炸點(diǎn)高度和炸點(diǎn)位置條件下鋼筋混凝土梁在爆炸荷載作用下的破壞模式和損毀形態(tài)，計算了其爆后剩余承載力和損傷度，并據(jù)此評估了其生存能力。結(jié)果表明，以受彎承載力的損失程度作為損傷指標(biāo)來進(jìn)行鋼筋混凝土梁爆后生存能力的評估是可行的，同時可為地面建筑結(jié)構(gòu)抗爆防護(hù)研究與結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：鋼筋混凝土梁爆后剩余承載力爆后生存能力數(shù)值模擬

恐怖爆炸襲擊以及生產(chǎn)生活中意外爆炸事故的頻繁發(fā)生，造成了大量的人員傷亡和財產(chǎn)損失，地面建筑結(jié)構(gòu)在這些突發(fā)災(zāi)難中損傷程度不一，其災(zāi)后處理措施也會不同。鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)是最普遍的建筑結(jié)構(gòu)形式，應(yīng)用于各種建筑工程或防護(hù)工事結(jié)構(gòu)中。對于經(jīng)受爆炸荷載作用的地面建筑結(jié)構(gòu)，根據(jù)鋼筋混凝土關(guān)鍵構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的損傷程度，評估其剩余承載力、生存能力及其繼續(xù)服役的可能性，為建筑結(jié)構(gòu)災(zāi)后修復(fù)工程提供理論支持，是工程實(shí)踐中亟待解決的重要問題，也可為建筑結(jié)構(gòu)抗爆防護(hù)研究與結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。目前，國內(nèi)外研究者[1-11]主要著眼于爆炸荷載作用下鋼筋混凝土關(guān)鍵構(gòu)件(梁、柱、樓板)和結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)、破壞形態(tài)和連續(xù)倒塌的研究，而對于爆后損傷構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的損傷評估和生存能力的研究卻關(guān)注不多[12-14]。本文借助ANSYS/LS-DYNA有限元分析軟件，在不同炸藥量、炸點(diǎn)高度和炸點(diǎn)位置條件下，對鋼筋混凝土梁在爆炸荷載作用下的破壞模式和損毀形態(tài)進(jìn)行了研究，并依據(jù)規(guī)范對鋼筋混凝土梁的爆后剩余承載力進(jìn)行了分析，根據(jù)其損傷度D值對其生存能力進(jìn)行了評估，以期利用D值來確定該構(gòu)件的生存能力以及后續(xù)的處理措施，從而控制災(zāi)后修復(fù)加固的工程量和造價。

1爆后生存能力評估方法

爆后生存能力是指構(gòu)件或結(jié)構(gòu)在經(jīng)受爆炸荷載作用后還能維持安全且可再用狀態(tài)的能力。文獻(xiàn)[13-14]指出，目前常用跨中最大撓度作為鋼筋混凝土關(guān)鍵構(gòu)件(梁、柱、樓板)的損傷指標(biāo)，但對于爆炸荷載作用下可能出現(xiàn)的剪切破壞、彎剪破壞以及沖剪破壞，跨中最大撓度并不適用。受彎承載力是受彎構(gòu)件的基本設(shè)計參數(shù)，因此受彎承載力的損失程度直接和鋼筋混凝土梁的整體性能相關(guān)，作為損傷指標(biāo)，能適用于各種破壞模式，包括彎曲破壞、剪切破壞、彎剪破壞以及沖剪破壞或局部震塌破壞。

本文定義梁的損傷度D來描述構(gòu)件的爆后生存能力，表達(dá)式為：

(1)

其中，Rf為梁爆后剩余承載力，S為梁爆前設(shè)計承載力。綜合文獻(xiàn)[13-14]和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)文獻(xiàn)[15-16]，各個損傷等級的準(zhǔn)則為：D=0～0.05為無損傷，不必處理，可以繼續(xù)使用；D=0.05～0.2為輕度損傷，可經(jīng)修復(fù)后繼續(xù)使用；D=0.2～0.5為中度損傷，應(yīng)采取加固措施后再使用；D=0.5～1為嚴(yán)重?fù)p傷或失效，需要拆除重建。

鋼筋混凝土梁的受彎承載力借用《金屬材料彎曲試驗(yàn)方法》[17]中抗彎強(qiáng)度的測定方法來獲得。建立鋼筋混凝土梁三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)計算模型，根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[18]第3.5.3條中規(guī)定受彎構(gòu)件的撓度限值為L/300(L為梁凈跨)，若超過該規(guī)定限值，則認(rèn)為該梁破壞。由此，當(dāng)跨中撓度達(dá)到L/300時，對應(yīng)的跨中豎向荷載即作為梁的受彎承載力。其中梁爆后計算模型僅保留梁在爆炸荷載作用下產(chǎn)生的變形和位移。

2計算模型

2.1構(gòu)件尺寸

本文鋼筋混凝土梁截面尺寸為250mm×550mm，梁凈跨為6.65m。梁上部有2根直徑20mm通長鋼筋，左右端支座各配筋8根直徑20mm的鋼筋(分兩排布置)，梁下部直徑20mm和25mm的鋼筋各兩根。梁腰部配有4根直徑12mm抗扭鋼筋。箍筋為兩肢箍，直徑10mm，間距100mm。

2.2幾何模型

本文爆炸計算模型由炸藥、混凝土、鋼筋和空氣4部分組成。其中混凝土和鋼筋采用拉格朗日網(wǎng)格建模，炸藥和空氣采用歐拉網(wǎng)格建模，單元使用多物質(zhì)ALE算法。假設(shè)炸藥是條形裝藥，中心點(diǎn)起爆。本文計算分別考慮3種炸藥量W(1.63 ,5.5,13kg)，5種炸點(diǎn)高度H(0m/接觸，0.5,1,2，4m)，3種炸點(diǎn)位置X(L/2,L/5,L/15，L為梁凈跨)。計算時間20ms，采用mm-g-ms單位制。鋼筋混凝土梁采用分離式建模，如圖1所示。

圖1　鋼筋混凝土梁的計算模型

2.3材料模型

梁鋼筋采用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC模型，參數(shù)[6,19]見表1?；炷敛捎?MAT_CONCRETE_DAMAGE_REL3模型(簡稱K&C)，該模型是美國Karagozian & Case公司研發(fā)的混凝土材料模型，能夠較真實(shí)地模擬混凝土在高速撞擊、爆炸等極限荷載作用下的動力反應(yīng)，且模型參數(shù)簡單。本文混凝土C40，材料參數(shù)[18]見表2，并添加失效判據(jù)*MAT_ADD_EROSION，當(dāng)拉應(yīng)力達(dá)到4 MPa或最大主應(yīng)變?yōu)?.003 3時，則材料失效，退出計算并刪除單元。炸藥采用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN模型和*EOS_JWL狀態(tài)方程，參數(shù)[11]見表3?？諝鈱硬捎?MAT_NULL模型和*EOS_LINEAR_POLYNOMIAL狀態(tài)方程，參數(shù)[11]見表4。

表1　梁鋼筋模型材料參數(shù)

表2　混凝土模型材料參數(shù)

表3　炸藥模型材料參數(shù)

表4　空氣模型材料參數(shù)

3結(jié)果分析

3.1破壞模式和損毀形態(tài)

爆炸荷載作用下，鋼筋混凝土梁可能發(fā)生彎曲破壞、剪切破壞、彎剪破壞或沖剪破壞[10]。彎曲破壞通常表現(xiàn)為受拉區(qū)混凝土出現(xiàn)橫向裂縫，鋼筋屈服或拉斷，受壓區(qū)混凝土有壓碎；剪切破壞通常表現(xiàn)為支座處或剪跨區(qū)出現(xiàn)較多明顯的45°斜裂縫；彎剪破壞則有彎曲破壞和剪切破壞的共同特點(diǎn)；沖剪破壞通常表現(xiàn)為梁整體變形不明顯，梁上混凝土成段剝落，鋼筋裸露。炸藥位于梁跨中(X=L/2)，不同炸藥量W、不同炸高H條件下的計算結(jié)果如表5所示。從表5可以看出，當(dāng)3種炸藥量接觸爆炸和13 kg炸藥炸高為0.5 m時，該梁發(fā)生沖剪破壞，跨中混凝土大量剝離，鋼筋全部裸露；當(dāng)5.5 kg炸藥炸高為0.5 m和13 kg炸藥炸高為1 m時，該梁發(fā)生彎剪破壞，梁跨中受壓區(qū)混凝土有壓碎，受拉區(qū)出現(xiàn)裂縫，支座附近出現(xiàn)較多斜裂縫；當(dāng)1.63 kg炸藥炸高為0.5 m，5.5 kg炸藥炸高為1 m和2 m，13 kg炸藥炸高為2 m和4 m時，該梁發(fā)生彎曲破壞，梁跨中僅受拉區(qū)出現(xiàn)裂縫，支座附近有少量斜裂縫；在其余情況下，該梁均未發(fā)生破壞。

表5　梁的破壞模式和損毀形態(tài)(X=L/2)

3.2梁最大撓度

不同炸藥量W、不同炸高H、不同炸點(diǎn)位置X條件下，梁最大撓度的計算結(jié)果如圖2所示。從圖2(a)可以看出當(dāng)炸藥位于梁跨中(X=L/2)時，在H不變的條件下，隨著W的增加，即爆炸荷載作用增大，梁的最大撓度亦增大；在W不變的條件下，隨著H的增加，即爆炸荷載作用減小，最大撓度也減小，且減小趨勢隨著炸藥量的增加越發(fā)明顯。規(guī)范[18]規(guī)定受彎構(gòu)件的撓度限值為L/300，若超過該規(guī)范限值，認(rèn)為該梁破壞，即本文計算模型中，W=1.63 kg的所有工況和W=13 kg時，H為2,4 m時，爆后跨中撓度均滿足要求，未破壞。從圖2(b)、圖2(c)和圖2(d)中可以看出，在W和H均相同的條件下，隨著炸點(diǎn)位置X的增加(逐漸靠近跨中)，即爆炸荷載作用向跨中移動，最大撓度逐漸增大，這是因?yàn)楹奢d向跨中移動，梁上最大彎矩增大，變形和撓度亦增大；而隨著H的增加，撓度增大的趨勢逐漸減弱，即此時炸點(diǎn)位置X的影響可以忽略。

圖2　梁的最大撓度

3.3爆后剩余承載力及生存能力

在爆炸計算結(jié)束后，僅保留梁在爆炸荷載作用下產(chǎn)生的變形和位移，建立梁的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)計算模型(如圖3所示)。本文計算模型的撓度限值為22 mm(L/300)，其所對應(yīng)的跨中豎向荷載值即為該梁的爆后剩余承載力Rf。當(dāng)炸藥量W為13 kg，炸高H為0.5，1，2，4 m時(考慮到接觸爆炸時梁上混凝土剝落和露筋情況嚴(yán)重，認(rèn)為梁已失效，此處不考慮H=0 m)，受損后梁的跨中豎向荷載Rf-跨中撓度曲線w如圖4所示。經(jīng)計算梁爆前設(shè)計承載力S=627 kN。由式(1)確定損傷度D值，根據(jù)D的臨界值判定該梁的生存能力，是否可繼續(xù)使用，是否需要修復(fù)加固。從表6可以看出，在W=1.63 kg的條件下，只有H=0.5 m時受損梁不可繼續(xù)使用；而在W=13 kg的條件下，只有H=4 m時受損梁還可繼續(xù)使用。此結(jié)果對照圖2(a)可知，在爆炸荷載作用下，選取爆后剩余承載力作為損傷指標(biāo)來評估其生存能力比選取跨中最大撓度更為合理。

圖3　梁的爆后剩余承載力計算模型

圖4　Rf-w曲線

炸藥量W/kg 1.63 13 炸高H/m0.51240.5124剩余承載力Rf/kN2546156276273979225610損傷度D0.590.02000.940.870.640.03生存能力需要拆除重建不必處理,繼續(xù)使用不必處理,繼續(xù)使用不必處理,繼續(xù)使用需要拆除重建需要拆除重建需要拆除重建不必處理,繼續(xù)使用

4小結(jié)

本文利用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA數(shù)值模擬分析了鋼筋混凝土梁在爆炸荷載作用下的破壞模式和損毀形態(tài)，考慮炸藥量、炸點(diǎn)高度和炸點(diǎn)位置的影響，得到其爆后剩余承載力和損傷度D值，并評估其生存能力。結(jié)果表明，以承載力的損失程度作為損傷指標(biāo)來進(jìn)行生存能力評估，以及確定鋼筋混凝土梁爆后的處理方式(繼續(xù)使用、修復(fù)加固后使用、拆除重建)是可行的，同時可為地面建筑結(jié)構(gòu)抗爆防護(hù)研究與結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。

參考文獻(xiàn)

[1]WU Ke-Chiang, LI Bing, TSAI Keh-Chyuan. The effects of explosive mass ratio on residual compressive capacity of contact last damaged composite columns[J]. Journal of Constructional Steel Research, 2011, (5):602-612.

[2]JAYASOORIYA Ruwan, THAMBIRATNAM D P, PERERA N J, et al. Blast and residual capacity analysis of reinforced concrete framed buildings[J]. Engineering Structures, 2011, 23: 3483-3495.

[3]匡志平，楊秋華，胡堅尉. 爆炸荷載作用下鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)研究[J]. 力學(xué)季刊, 2010，31(3)：443-447.

[4]師燕超. 爆炸荷載作用下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)行為與損傷破壞機(jī)理[D]. 天津：天津大學(xué)博士學(xué)位論文, 2009.

[5]魏雪英，白國良. 爆炸荷載下鋼筋混凝土柱的動力響應(yīng)及破壞形態(tài)分析[J]. 解放軍理工大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版, 2007，8(5)：525-529.

[6]侯延利. 爆炸沖擊荷載作用下鋼筋混凝土柱的動態(tài)響應(yīng)分析 [D]. 陜西西安：長安大學(xué)碩士學(xué)位論文， 2008.

[7]LUCCIONI B M, AMBROSINI R D, DANESI R F. Analysis of building collapse under blast loads[J]. Engineering Structures, 2004, (2): 63-71.

[8]柳錦春，方秦，龔自明，等. 爆炸荷載作用下鋼筋混凝土梁的動力響應(yīng)及破壞形態(tài)分析[J]. 爆炸與沖擊, 2003，25(1)：25-30.

[9]焦延平，郭東，張虹，等. 爆炸荷載作用下鋼筋混凝土梁非線性有限元分析[J]. 振動與沖擊， 2003，22(3)：65-67.

[10] 師燕超，李忠獻(xiàn). 爆炸荷載作用下鋼筋混凝土柱的動力響應(yīng)與破壞模式[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報， 2008，29(4)：112-117.

[11] 龔順風(fēng)，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， 2008，21(5):516-520.

[12] 李天華. 爆炸荷載下鋼筋混凝土板的動態(tài)響應(yīng)及損傷評估[D]. 陜西西安：長安大學(xué)博士學(xué)位論文, 2012.

[13] 李忠獻(xiàn)，師燕超，史祥生. 爆炸荷載作用下鋼筋混凝土板破壞評定方法[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報, 2009，30(6):60-66.

[14] 汪明，爆炸荷載作用下鋼結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理及砌體墻破碎過程研究[D]. 天津：天津大學(xué)博士學(xué)位論文， 2010.

[15] GB 50292-1999，民用建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)[S].

[16] JGJ_125-1999，危險房屋鑒定標(biāo)準(zhǔn)[S].

[17] GB/T 232-2010，金屬材料彎曲試驗(yàn)方法[S].

[18] GB 50010-2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

[19] 過鎮(zhèn)海，時旭東. 鋼筋混凝土原理和分析[M]. 北京：清華大學(xué)出版社， 2003.

Viability Analysis and Numerical Calculation of Damaged Reinforced Concrete Beam

PENG Yun, FU Yu

(SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,SouthwestUniversityofScienceandTechnology,Mianyang621010,Sichuan,China)

Abstract:In order to estimate the viability of reinforced concrete beams after blasting, determine the possibility of continued service, and control the quantities and cost of rehabilitation work, it was numerical simulated using finite element analysis software ANSYS/LS-DYNA. The failure mode and damage morphology of reinforced concrete beam were analyzed under different explosive charges, explosive heights and explosive positions. The residual capacity after blasting and the damage degree were calculated, and its viability was estimated. The results show the feasibility of estimating the viability of reinforced concrete beam after blasting by the damage degree of its flexure capacity. It also can provide the reference for anti-explosion protection analysis and structure design of building structures.

Key words:Reinforced concrete beam; Residual capacity after blasting; Viability after blasting; Numerical simulation

中圖分類號：O383+.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1671-8755(2016)01-0030-05

作者簡介:彭蕓(1981—)，女，碩士，講師，研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)分析與設(shè)計。E-mail:435671968@qq.com

基金項(xiàng)目:國防基礎(chǔ)科研項(xiàng)目(B3120110004)；四川省教育廳資助項(xiàng)目(12ZA187)。

收稿日期：2015-04-16