鋼筋對(duì)鋼-混結(jié)構(gòu)柱抗暴性能的影響

李北杰，常春偉

(1.軍事交通學(xué)院 研究生管理大隊(duì)，天津 300161； 2.軍事交通學(xué)院 國(guó)防交通系，天津 300161)

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● 基礎(chǔ)科學(xué)與技術(shù)Basic Science & Technology

鋼筋對(duì)鋼-混結(jié)構(gòu)柱抗暴性能的影響

李北杰1，常春偉2

(1.軍事交通學(xué)院 研究生管理大隊(duì)，天津 300161； 2.軍事交通學(xué)院 國(guó)防交通系，天津 300161)

通過(guò)探究鋼混結(jié)構(gòu)爆炸毀傷機(jī)理，為編制交通重點(diǎn)目標(biāo)搶修方案提供理論支持，為交通基本建設(shè)貫徹國(guó)防要求提供技術(shù)支撐。通過(guò)對(duì)CONWEP實(shí)現(xiàn)爆炸(沖擊)荷載對(duì)鋼筋混凝土柱的毀傷分析，對(duì)比不同縱筋配筋率下鋼筋混凝土柱及素混凝土柱在爆炸荷載下的動(dòng)力響應(yīng)和破壞特點(diǎn)，分析縱筋配筋率對(duì)鋼筋混凝土柱抗爆性能的影響。結(jié)果表明，鋼筋能改善混凝土建(構(gòu))筑物的抗爆性能，但提升縱筋配筋率則影響有限。

鋼筋混凝土柱；抗爆性；縱筋配筋率

近年來(lái)，各類爆炸事故頻頻發(fā)生，造成了重大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，引發(fā)人們對(duì)建筑物在爆炸沖擊作用下安全性能的關(guān)注，尤其是建筑物抗爆性方面?？贡允侵附ㄖ锏挚贡_擊荷載作用的能力，是衡量建筑物抗爆安全性的重要指標(biāo)。利用有限元分析方法，國(guó)內(nèi)外對(duì)鋼筋混凝土構(gòu)件在爆炸荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了大量研究，并應(yīng)用于建筑物的抗爆性評(píng)估和建筑物的爆破拆除方面，但對(duì)于交通基礎(chǔ)設(shè)施抗暴毀傷的研究則相對(duì)匱乏。同時(shí)，基于美軍的“五環(huán)“打擊，交通設(shè)施處于打擊的第三環(huán)，交通建筑物的抗爆能力研究，也是戰(zhàn)爭(zhēng)破壞需重點(diǎn)關(guān)注的研究領(lǐng)域。

鋼筋是鋼筋混凝土構(gòu)件中的重要部分之一，在爆炸沖擊作用下動(dòng)力響應(yīng)形式較為復(fù)雜，對(duì)其展開(kāi)研究，能為交通基礎(chǔ)設(shè)施的抗爆毀傷仿真研究探索方法。柱是工程設(shè)施中常見(jiàn)的構(gòu)件形式，有結(jié)構(gòu)柱和構(gòu)造柱之分。本文選取形式較為簡(jiǎn)單的鋼-混結(jié)構(gòu)柱作為研究對(duì)象，該結(jié)構(gòu)為豎向受力構(gòu)件，將承受的豎向荷載傳遞到基礎(chǔ)。運(yùn)用有限元的方法，就鋼-混結(jié)構(gòu)柱在非接觸情況下的爆炸過(guò)程予以三維數(shù)值模擬，采用CONWEP[1]實(shí)現(xiàn)爆炸荷載的加載，分析鋼筋對(duì)柱形構(gòu)件毀傷機(jī)理和破壞特征產(chǎn)生的影響。

1　理論基礎(chǔ)

1.1爆炸理論

(1)空中爆炸[2]。爆源位于遠(yuǎn)離結(jié)構(gòu)的自由空氣中，產(chǎn)生的沖擊波傳播較遠(yuǎn)距離才作用到結(jié)構(gòu)上，稱為自由空氣爆炸。沖擊波傳到地面會(huì)發(fā)生反射，反射波同入射波匯合會(huì)使爆炸沖擊波增強(qiáng)，由于自由空氣爆炸中爆源離地面較遠(yuǎn)，作用于結(jié)構(gòu)之前，爆炸波尚未傳播到地面上，爆炸沖擊波不會(huì)因?yàn)榈孛娴姆瓷涠鰪?qiáng)。本文模擬采用的荷載加載方式即為空爆方式。

(2)爆炸相似理論。爆炸沖擊波的基本參數(shù)，可通過(guò)相似定律推導(dǎo)，文中采用的爆炸荷載曲線的推導(dǎo)即由此獲得，具體參數(shù)計(jì)算公式如下[3]。

1.2混凝土損傷模型

混凝土屬于復(fù)合材料，物理性質(zhì)復(fù)雜，為準(zhǔn)確描述其力學(xué)特性，在基于理論分析和試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，提出了粘彈性模型、粘塑性模型、滯后模型和塑性損傷模型等一系列的混凝土模型。本文采用的混凝土模型(即MAT_72R3)屬于塑形損傷模型[4]。

MAT_72R3模型充分考慮了混凝土材料的彈性斷裂能、應(yīng)變率效應(yīng)、約束效應(yīng)等特性，以最大失效面、殘余失效面和屈服失效面3個(gè)強(qiáng)度破壞面描述混凝土材料的塑性性能。

最大失效面(Maximum Failure Surface)：

殘余失效面(Residual Failure Surface)：

屈服失效面(Yield Failure Surface)：

式中：p為壓力；a0、a1、a2、a1f、a2f、a0y、a1y、a2y為材料常數(shù)，由單軸抗壓試驗(yàn)和三軸受壓試驗(yàn)確定。

2　模型建立

2.1基礎(chǔ)模型

模型中混凝土采用solid164單元，以映射方式劃分為L(zhǎng)agrange網(wǎng)格，鋼筋采用beam161單元，通過(guò)賦予實(shí)常數(shù)的方式實(shí)現(xiàn)尺寸設(shè)定，混凝土和鋼筋間采用共節(jié)點(diǎn)設(shè)置，單位制為cm-g-s?？紤]模型對(duì)稱的特點(diǎn)，取模型的1/4建模，分別以平面X=0和Y=0為對(duì)稱面，施加對(duì)稱約束。為防止網(wǎng)格大變形導(dǎo)致計(jì)算精度下降、計(jì)算步長(zhǎng)變小等問(wèn)題，加入*MAT_ADD_EROSION自動(dòng)刪除失效混凝土單元，這里選用MXEPS模式，取值為0.001[5]。

柱幾何尺寸為60 cm×60 cm×360 cm，布筋形式為8根縱筋位于柱的四周，縱筋直徑為2.5 cm，箍筋直徑為1 cm，間距為20 cm(如圖1所示)。以等效500 gTNT距柱中心40 cm處產(chǎn)生的爆炸沖擊波為荷載。

圖1　柱模型示意

2.2對(duì)比模型

為更好地研究鋼筋對(duì)鋼-混結(jié)構(gòu)柱的抗暴性影響，本文以縱筋配筋率為單一變量，通過(guò)調(diào)節(jié)縱筋直徑實(shí)現(xiàn)縱筋配筋率的調(diào)整，同時(shí)為使數(shù)據(jù)更加全面，特增加素混凝土柱以模擬配筋率為0的情形(見(jiàn)表1)。

表1　對(duì)比模型縱筋直徑與配筋率

3　數(shù)值模擬

3.1破壞過(guò)程及分析

圖2、圖3分別對(duì)應(yīng)b-0、b-1的破壞毀傷云圖。由圖2可知，迎爆面的裂紋和破壞最先在垂直于爆心的柱的四周呈環(huán)狀出現(xiàn)，逐漸向上下兩端以環(huán)形擴(kuò)展，在1 000 μs時(shí)基本擴(kuò)展到了全柱，以柱中心上下25 cm范圍的損傷較為嚴(yán)重。在400 μs時(shí)，迎爆面的裂紋和破壞尚未延伸到背面，背面已出現(xiàn)較為嚴(yán)重的集中破壞和損傷，這是由應(yīng)力波傳播到柱背面反射產(chǎn)生的波造成的，隨后兩處裂紋和破壞相合，1 000 μs時(shí)柱背面可見(jiàn)明顯開(kāi)裂，背面裂紋范圍達(dá)柱中心上下120 cm，10 000 μs時(shí)未見(jiàn)柱彎曲而背面開(kāi)裂現(xiàn)象更嚴(yán)重且伴有拋散，柱呈現(xiàn)剪切破壞。

圖2　b-0的破壞毀傷云圖

圖3　b-1的破壞毀傷云圖

由圖3可知，迎爆面毀傷形式同b-0類似，但可見(jiàn)在箍筋處有較為明顯的毀傷斷層，迎爆面以柱中心上下20 cm范圍的損傷較為嚴(yán)重，損傷擴(kuò)展較慢，表明箍筋可影響損傷的擴(kuò)展與分布。從側(cè)面可知，1 000 μs時(shí)柱出現(xiàn)輕微彎曲，10 000 μs時(shí)彎曲現(xiàn)象明顯，背面混凝土有開(kāi)裂和拋散，柱呈現(xiàn)彎曲破壞，背面損傷范圍上下80 cm。

綜合對(duì)比b-0、b-1的毀傷效果，兩者的背面損傷范圍均大于正面，接近于4，說(shuō)明柱的背面拉伸破壞程度大于正面的壓縮破壞，而b-1的正面損傷范圍較b-0減小20%，背面減小33.3%，表明鋼筋可以改善柱的抗毀能力，鋼筋混凝土柱的抗爆性能強(qiáng)于素混凝土柱。

3.2縱筋配筋率的影響

鋼筋對(duì)鋼-混結(jié)構(gòu)柱的抗爆性影響研究，從抗爆彎、剪性能影響和抗毀傷能力兩個(gè)方面進(jìn)行。其中抗爆彎、剪性能以迎爆面柱中心點(diǎn)的位移進(jìn)行參考，在相同爆炸沖擊荷載作用下，鋼-混凝結(jié)構(gòu)柱的抗爆彎、剪能力愈強(qiáng)，則位移愈??；而抗毀傷能力則以柱背面的損傷范圍(即裂紋距中心的最遠(yuǎn)端)和柱背部集中損傷的面積大小為標(biāo)準(zhǔn)予以考量，爆炸沖擊荷載對(duì)鋼-混凝結(jié)構(gòu)柱造成的傷害愈大，則損傷面積愈大。

(1)抗爆彎、剪性能的影響。不同縱筋配筋率下的鋼-混結(jié)構(gòu)柱在相同爆炸荷載作用下迎爆面柱中點(diǎn)的最大位移見(jiàn)表2。

表2　不同縱筋配筋率下迎爆面柱中點(diǎn)的最大位移

表2中關(guān)于b-0迎爆面柱中點(diǎn)的位移和有效塑性應(yīng)變的時(shí)程曲線如圖4、圖5所示。

圖4　位移時(shí)程曲線

圖5　有效塑形應(yīng)變時(shí)程曲線

由圖4、圖5可知，b-0的迎爆面柱中心點(diǎn)，有效塑形應(yīng)變?cè)?00 μs時(shí)快速增加，到400 μs時(shí)降為0，但在400 μs后位移仍繼續(xù)增加，表明此時(shí)該處已失效。說(shuō)明素混凝土柱的抗爆彎、剪能力弱，在等效500 gTNT沖擊荷載下?lián)p傷嚴(yán)重。

與圖6相應(yīng)的擬合曲線函數(shù)為

y=-0.002lnx+0.0449，R2=0.968 7

式中：y為對(duì)應(yīng)位移，cm；x為對(duì)應(yīng)配筋率；R2為曲線擬合程度。

結(jié)合表2和圖6可知，從b-1到b-4，鋼-混結(jié)構(gòu)柱縱筋配筋率從1%提高到4%，迎爆面柱中心點(diǎn)的最大位移由0.052 242 cm減小到0.050 027 cm，縱筋配筋率提高了3倍，最大位移減小了4%，表明縱筋配筋率對(duì)鋼-混凝結(jié)構(gòu)柱的抗爆彎、剪能力有一定影響，提高縱筋配筋率可以少量地提升其抗爆彎、剪能力。

圖6　縱筋配筋率與位移的關(guān)系

(2)抗毀性能的影響。圖7～圖9分別對(duì)應(yīng)b-2到b-4的正面和背面毀傷效果。

圖7　b-2破壞毀傷云圖

圖8　b-3破壞毀傷云圖

圖9　b-4破壞毀傷云圖

結(jié)合圖2、圖3，以及圖7～圖9的正面和背面毀傷效果，可獲得不同配筋率情況下鋼-混結(jié)構(gòu)柱的損傷情況，具體情形見(jiàn)表3。

表3　不同配筋率柱損傷情況

由表3可知，當(dāng)鋼筋混凝土柱的縱筋配筋率由1%增大到4%時(shí)，柱背面損傷范圍由86 cm減小到77 cm，降低10.4%，說(shuō)明縱筋配筋率的提升減小柱背面損傷的范圍。原因在于縱筋承擔(dān)鋼-混結(jié)構(gòu)所受的拉應(yīng)力，提升配筋率能提高鋼筋混凝土柱的抗拉能力，較高的抗拉能力對(duì)裂紋的擴(kuò)展起到抑制和減緩作用，使得損傷的范圍得以有效降低，所以可通過(guò)提升配筋率減少損傷的范圍。

柱背面中部的集中損傷區(qū)域面積僅由980.17 cm2減小到959.76 cm2，顯示隨著縱筋配筋率的提升，鋼-混凝結(jié)構(gòu)柱的背部集中損傷區(qū)域有所減小，但減小程度十分有限，僅縮小了2%，這是由于這部分的損傷由柱背面的反射拉伸波和應(yīng)力波共同造成，損傷集中，破壞嚴(yán)重，提升縱筋配筋率對(duì)鋼筋混凝土柱集中損傷區(qū)域的局部抗暴力學(xué)性質(zhì)影響有限，使得隨著配筋率增大損傷區(qū)域面積未顯著減少。

對(duì)不同縱筋配筋率情況下鋼筋混凝土柱背部集中損傷面積進(jìn)行曲線擬合，擬合函數(shù)如圖10所示。

圖10　配筋率與損傷面積的關(guān)系

與圖10相應(yīng)的擬合曲線函數(shù)為

y=-14.75lnx+912.17，R2=0.999 8

式中：y為對(duì)應(yīng)損傷面積，cm2；x為對(duì)應(yīng)配筋率。

根據(jù)擬合曲線函數(shù)知，縱筋配筋率同柱背面集中損傷面積為對(duì)數(shù)函數(shù)，隨著配筋率的提升，損傷面積減少，但減少程度較小。

4　結(jié)　論

本文基于ANSYS/LS-DYNA軟件實(shí)現(xiàn)不同縱筋配筋率的鋼-混結(jié)構(gòu)柱三維數(shù)值模擬，結(jié)論可為大型鋼筋混凝土建(構(gòu))筑物的抗爆性研究和交通設(shè)施建設(shè)貫徹國(guó)防要求研究提供參考和借鑒。

(1)縱筋配筋率能夠影響鋼-混結(jié)構(gòu)柱的抗爆彎、剪能力，通過(guò)提高縱筋配筋率在一定程度上可以提升其抗爆彎、剪能力，但效果有限。

(2)縱筋配筋率對(duì)鋼-混結(jié)構(gòu)柱背面損傷的范圍有顯著影響力，提高縱筋配筋率可減小背面損傷范圍；提高縱筋配筋率對(duì)背面中部集中損傷影響較小，表明縱筋配筋率對(duì)鋼筋混凝土柱集中損傷區(qū)域的局部抗暴力學(xué)性質(zhì)改善并不理想。

[1]Ostraich B,Sadot O,Levintant O,et al.A method for transforming a full computation of the effects of a complex-explosion scenario to a simple computation by Conwep[J].Shock Waves,2011,21(2):101-109.

[2]羊勇.爆炸荷載作用下高墩毀傷機(jī)理數(shù)值仿真研究[D].天津：軍事交通學(xué)院，2015.

[3]周旭.導(dǎo)彈毀傷效能試驗(yàn)與評(píng)估[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2014：362-363.

[4]Malvar L J, Crawford J E, Wesevich J W, et al. A Plasticity Concrete Material Model for DYNA3D[J]. International Journal of Impact Engineering, 1997, 19(9/10): 847-873

[5]汪維.鋼筋混凝土構(gòu)件在爆炸荷載作用下的毀傷效應(yīng)及評(píng)估方法研究[D].長(zhǎng)沙：國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2012.

(編輯：史海英)

Anti-knock Performance Influence of Rebar on Reinforced Concrete Column

LI Beijie1， CHANG Chunwei2

(1.Postgraduate Training Brigade, Military Transportation University, Tianjin 300161, China;2.National Defense Traffic Deparment, Military Transportation University, Tianjin 300161, China)

To provide theory basis for organizing emergency repair program and provide technical support for traffic construction implementing national defense requirements, by studying explosion damage mechanism of reinforced concrete structures, the paper analyzes the damage of explosion (impact) load on reinforced concrete column with CONWEP, compares dynamic response and damage features of reinforced concrete column with plain concrete column at different ratio of longitudinal reinforcement, and analyzes the anti-knock performance influence of longitudinal reinforcement ratio on reinforced concrete column. The result shows that rebar can improve anti-knock performance of concrete structures, but it has limited effects on improving ratio of longitudinal reinforcement.

reinforced concrete column; anti-knock performance; longitudinal reinforcement ratio

2016-03-09；

2016-04-20．

李北杰(1990—)，男，碩士研究生；

常春偉(1968—)，男，博士，教授，碩士研究生導(dǎo)師．

10.16807/j.cnki.12-1372/e.2016.10.021

TU528.57

A

1674-2192(2016)10- 0087- 05