爆炸荷載作用下鋼筋砼板結(jié)構(gòu)的破壞特性

趙 小 華，王 高 輝，盧 文 波，李 麒，陳 明，嚴(yán) 鵬

（1.武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430072；2.武漢大學(xué) 水工巖石力學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430072）

爆炸荷載作用下鋼筋砼板結(jié)構(gòu)的破壞特性

趙 小 華1，2，王 高 輝1，2，盧 文 波1，2，李 麒1，2，陳 明1，2，嚴(yán) 鵬1，2

（1.武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430072；2.武漢大學(xué) 水工巖石力學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430072）

鋼筋混凝土板結(jié)構(gòu)是軍事工程和核電工程中常用的構(gòu)建物，但爆炸能夠?qū)ζ湓斐蓢?yán)重的破壞。首先分別建立方形混凝土板、鋼筋、空氣和TNT三維實(shí)體模型，采用Lagrange-euler耦合算法仿真計(jì)算近場爆炸作用下方形鋼筋混凝土板的抗爆性能，并通過與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比驗(yàn)證了耦合模型的可靠性。在此基礎(chǔ)上，使用該仿真模型對接觸爆炸作用下方形鋼筋混凝土板的毀傷特性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：接觸爆炸作用下鋼筋混凝土板的破壞區(qū)域主要集中在板中心處，迎爆面壓碎成坑、板中心沖切成孔和下表面的震塌剝落是其主要破壞模式。

數(shù)值仿真；鋼筋混凝土板；破壞特性；接觸爆炸；近場爆炸；爆炸荷載

1 引言

爆炸荷載具有傳播速度快、作用時間短、峰值大的特征，因而研究爆炸作用下結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)過程是一個非常復(fù)雜的過程。已有學(xué)者通過現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)和數(shù)值仿真對爆炸作用下鋼筋混凝土板的動力響應(yīng)開展了一系列研究，如通過現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)和數(shù)值仿真測試了纖維增強(qiáng)混凝土的抗爆性能并與普通混凝土板進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)在混凝土中添加一定量的纖維能提高混凝土板的抗爆性能﹝1-4﹞；趙春風(fēng)﹝5﹞等通過數(shù)值仿真研究了內(nèi)部爆炸荷載作用下混凝土容器的動態(tài)響應(yīng)；TAI﹝6﹞等使用非線性有限元軟件研究了爆炸沖擊波的傳播規(guī)律以及鋼筋混凝土板的動態(tài)響應(yīng)；SCHENKER﹝7﹞等研究對比了有防護(hù)措施和無防護(hù)措施的混凝土板的抗爆性能；汪維﹝8﹞等通過現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)和數(shù)值仿真研究了近場爆炸作用下單向支撐鋼筋混凝土板的抗爆性能；趙春風(fēng)和陳健云﹝9﹞使用LSDYNA軟件研究了近場爆炸作用下方形鋼筋混凝土板的動態(tài)響應(yīng)并與現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了對比；LI J﹝10﹞通過現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)研究了接觸爆炸作用下高強(qiáng)混凝土板和普通鋼筋混凝土板的抗爆性能。但由于問題的復(fù)雜性，對于單向支撐條件下鋼筋混凝土板在接觸爆炸作用下的毀傷特性的研究還較少。

本文利用AUTODYN軟件對單向支撐條件下方形鋼筋混凝土板在近場爆炸作用下的抗爆性能進(jìn)行研究，并將結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對比以論證模型的可靠性。在此基礎(chǔ)上，使用仿真模型對接觸爆炸作用下鋼筋混凝土板的破壞模式進(jìn)行進(jìn)一步的研究，為工程應(yīng)用和毀傷評估提供參考。

2 混凝土非線性動態(tài)損傷本構(gòu)模型

在爆破荷載的沖擊下混凝土材料通常出現(xiàn)應(yīng)變率效應(yīng)和壓縮效應(yīng)﹝11﹞，本文采用的RHT模型是RIEDEL﹝12﹞等在HJC模型﹝13-14﹞基礎(chǔ)上提出的。為了描述混凝土材料的初始屈服強(qiáng)度、失效強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度，RHT模型引入了彈性極限面、失效面、殘余強(qiáng)度面，如圖1所示。

圖1 RHT本構(gòu)模型三個失效面示意圖Fig.1 Three failure surfaces of RHT constitutive model

RHT模型失效面方程：

式中：Y*TXC（P）為壓縮子午線強(qiáng)度；σ*eq為歸一化等效應(yīng)力；R3（θ）為任意應(yīng)力角對應(yīng)的子午線半徑和壓縮子午線半徑之比；FRATE）為應(yīng)變速率效應(yīng)函數(shù)角隅函數(shù)。

RHT彈性極限面方程為：

式中：函數(shù)FCAP（P）用于限制靜水壓力下的彈性偏應(yīng)力的蓋帽函數(shù)。

RHT殘余強(qiáng)度面方程為：

式中：B為殘余失效面常數(shù)；M為殘余失效面指數(shù)，分別取0.7，0.8﹝15﹞。

在當(dāng)前屈服面介于彈性極限面與最大失效面之間時：

式中：εpl，eq和εplhard，eq分別為當(dāng)前失效面和最大失效面對應(yīng)的塑性應(yīng)變。

RHT本構(gòu)模型的損傷定義為：

式中：ΔεPL為等效塑性應(yīng)變增量；εfailurep＝D1（P*-P*spall）D2≥εminf，D1、D2為損傷常數(shù)，分別取值為0.015和1.0；εminf為最小失效應(yīng)變，取值8×10-4﹝15﹞。

3 近場爆炸耦合模型驗(yàn)證

3.1 近場爆炸耦合模型建立

為了驗(yàn)證耦合模型的可靠性，對文獻(xiàn)﹝8﹞中所開展的現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬再現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)中，方形鋼筋混凝土板邊長1 000 mm，厚40 mm，在底部布置單層受力鋼筋，鋼筋直徑為6 mm，間距為75 mm，保護(hù)層厚度為10 mm。炸藥布置于板正上方400 mm處，炸藥質(zhì)量為0.31 kg。對鋼筋混凝土板兩端采用鋼架固定（見圖2）。

由于結(jié)構(gòu)具有對稱性，故只需建立混凝土、空氣、鋼筋和炸藥的1/4全耦合模型（見圖3）。

為減少計(jì)算量，首先使用一維網(wǎng)格對TNT在空氣中爆炸及沖擊波的傳播進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算，當(dāng)沖擊波傳播360 mm時，即沖擊波即將到達(dá)鋼筋混凝土板上表面時，使用映射技術(shù)將其導(dǎo)入三維模型繼續(xù)進(jìn)行計(jì)算。其中炸藥和空氣使用Euler單元，鋼筋使用beam單元，混凝土使用Lagrange單元，鋼筋和混凝土間使用共節(jié)點(diǎn)，混凝土和空氣間使用Lagrange-Euler耦合?？諝狻⒄ㄋ?、鋼筋、混凝土網(wǎng)格單元大小分別為20 mm，5 mm，10 mm，10 mm，混凝土板兩端面采用固定約束。由于計(jì)算6 ms后，板內(nèi)應(yīng)力及振動速度均已經(jīng)衰減到很小值，故本次仿真計(jì)算時間為6 ms。空氣和TNT狀態(tài)方程以及材料參數(shù)見文獻(xiàn)﹝16-17﹞，鋼筋狀態(tài)方程以及材料參數(shù)見文獻(xiàn)﹝8﹞，鋼筋彈性模量為200 GPa，屈服應(yīng)力為501 MPa。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置及鋼筋混凝土板幾何尺寸Fig.2 Experimental device and geometry of the reinforced concrete slab

圖3 1/4三維仿真模型Fig.3 1/4 Three-dimensional numerical model

3.2 計(jì)算結(jié)果及與實(shí)驗(yàn)對比分析

數(shù)值模擬結(jié)果如圖4所示，近場爆炸荷載作用下鋼筋混凝土板迎爆面產(chǎn)生環(huán)形裂紋，底面出現(xiàn)層裂剝落破壞，同時板發(fā)生整體彎曲破壞，對比分析數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)的這三項(xiàng)指標(biāo)見表1。

圖4 仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比Fig.4 Comparison of the numerical and experimental results

表1 仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比Tabel 1 Comparison of the numerical and experimental results

炸藥起爆后，板迎爆面受到向下的沖擊作用，使得混凝土受到徑向拉伸作用，而混凝土抗拉強(qiáng)度較小，故在迎爆面出現(xiàn)環(huán)形裂紋，直徑為616 mm；當(dāng)板內(nèi)的壓縮波傳至板底面時，壓縮波反射形成拉伸波，板底面出現(xiàn)層裂剝落區(qū)，層裂剝落區(qū)平均直徑為165 mm；由于板兩端固定，且迎爆面受到?jīng)_擊波的作用，故導(dǎo)致板出現(xiàn)整體彎曲破壞，最大殘留擾度18 mm。

由圖4和表1可以看出，仿真計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，能夠合理的展現(xiàn)近場爆炸作用下鋼筋混凝土板迎爆面的開裂、裂紋的傳播、底面的層裂剝落以及板整體彎曲破壞的過程。

4 鋼筋砼板的毀傷特性

在已驗(yàn)證的近場爆炸耦合模型的基礎(chǔ)上，僅將其模型中的炸藥向下移動到鋼筋混凝土板上表面正中心位置，其它參數(shù)、邊界條件、材料模型和狀態(tài)方程均不變，進(jìn)行接觸爆炸條件下鋼筋混凝土板結(jié)構(gòu)的毀傷特性分析。

4.1 接觸爆炸毀傷特性分析

鋼筋混凝土板在接觸爆炸作用下的毀傷模式如圖5所示。在接觸爆炸荷載作用下，鋼筋混凝土板迎爆面出現(xiàn)了一個直徑為406 mm的爆坑，底面形成了一個直徑為440 mm的震塌破壞區(qū)，同時在板中心造成一個直徑為286 mm的貫穿孔洞。

在接觸爆炸作用下，爆炸產(chǎn)生的高壓沖擊波將直接作用在鋼筋混凝土板的迎爆面上，而此壓力往往高于混凝土抗壓強(qiáng)度，因此造成迎爆面出現(xiàn)壓碎區(qū)，即爆坑的出現(xiàn)；沖擊波壓力傳播到鋼筋混凝土板內(nèi)部后將以壓縮波的形式向底面?zhèn)鞑?，在板底面反射形成的拉伸波?dǎo)致底面出現(xiàn)震塌剝落區(qū)；另外從圖5中還可以看出鋼筋混凝土板在兩固定端分別出現(xiàn)兩條較寬的裂縫，這是因?yàn)楫?dāng)板受到向下沖擊時，將在固定邊界處形成較大的拉應(yīng)力。在接觸爆炸作用下鋼筋混凝土板的毀傷模式主要為沖壓、切破壞和震塌剝落破壞。

圖5 接觸爆炸作用下鋼筋混凝土板的毀傷模式Fig.5 Reinforced concrete response to contact explosion

以上分析表明，在接觸爆炸荷載作用下鋼筋混凝土板的主要破壞模式表現(xiàn)為迎爆面的爆坑形成、板中部的沖切成孔和底面的震塌剝落，三種破壞面積平均直徑的測量方法如圖6所示。

圖6 破壞區(qū)域測量方法Fig.6 Measurement of the damaged areas

4.2 毀傷特性對比分析

由圖4～圖5可知，近場爆炸作用下由于起爆位置與板有一定距離，爆炸沖擊波經(jīng)空氣傳播后作用于整個迎爆面，因此板主要發(fā)生整體彎曲破壞，板中心殘留擾度為18 mm，并在迎爆面形成大量的環(huán)形裂紋。當(dāng)炸藥起爆位置移動到板上表面后，爆炸產(chǎn)生的高壓波將直接作用于鋼筋混凝土板，造成接觸部位出現(xiàn)直徑為286 mm沖切孔洞，同時沖擊波不經(jīng)過衰減直接在板內(nèi)部傳播，而板本身較薄，導(dǎo)致底面受到的壓縮波并未有明顯衰減，從而反射形成較大的拉伸波，導(dǎo)致了底面的震塌破壞，震塌破壞區(qū)域平均直徑為440 mm。

近場爆炸荷載作用下，鋼筋混凝土板主要發(fā)生整體彎曲和底面剝落層裂破壞，而接觸爆炸作用下，鋼筋混凝土板的破壞模式主要為局部沖壓、切破壞和底部震塌剝落破壞。

5 結(jié)論

（1）數(shù)值模擬的鋼筋混凝土板近場爆炸破壞與現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)基本一致，說明建立的近場爆炸耦合模型能夠有效地模擬鋼筋混凝土板近場爆炸破壞過程。

（2）在接觸爆炸作用下，鋼筋混凝土板的破壞模式主要為局部沖壓、切破壞和底部震塌剝落破壞；非接觸爆炸荷載作用下，鋼筋混凝土板主要發(fā)生整體彎曲和底面剝落層裂破壞。

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Structural damage characteristics of reinforced concrete slab under the explosion loading of contact and close-in

ZHPO Xiao-hua1，2，WPPC Cao-hui1，2，LU Wen-bo1，2，LI Qi1，2，CHEP Ming1，2，YPP Peng1，2
（1.State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science，Wuhan University，Wuhan 430072，China；2.Key Laboratory of Rock Mechanics in HydrauIic StructuraI Engineering Ministry of Education，Wuhan University，Wuhan 430072，China）

Reinforcement concrete was the principle material for military engineering and nuclear power plant，but the blasting pressure could destroy such structures.A three-dimensional model was created to simulate close-in explosion，and arbitrary Lagrange-Euler coupling interaction was taken into.The concrete，steel bar，air and TNT were modeled with separated modeling method.The reliability of the coupled model was verified by the comparison between the numerical results and the experimental results.Then the damage mechanism and mode of reinforced concrete slab subjected to contact explosion were studied. From this study，it was observed that the main failure mode of the reinforcement concrete slab under contact explosion was punching and spalling.

Numerical simulation；Reinforcement concrete slab；Damage mechanism；Contact explosion；Close-in explosion；Explosion loading

TD235.4＋7

A

10.3969/j.issn.1006-7051.2016.05.013

1006-7051（2016）05-0064-05

2016-05-03

長江科學(xué)院開放研究基金資助項(xiàng)目（CKWV2016383/KY）；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51125037，51509189）；中國博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目（2015M572197）；國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2016YFC0402008）

趙小華（1991-），男，博士，從事高壩抗爆安全評價(jià)研究。E-mail：zhaoxh2014@126.com

王高輝（1986-），男，講師，從事高壩抗震和抗爆安全評價(jià)及關(guān)鍵技術(shù)研究。E-mail：wanggaohui@whu.edu.cn