SRP材料加固鋼筋混凝土的抗爆性能研究*

王向陽(yáng) 林友楊 冉瑞江

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院 武漢 430063)

SRP材料加固鋼筋混凝土的抗爆性能研究*

王向陽(yáng) 林友楊 冉瑞江

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院 武漢 430063)

針對(duì)鋼筋混凝土等基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)容易遭到破壞的問(wèn)題，選擇高強(qiáng)度SRP材料加固鋼筋混凝土作為研究對(duì)象，借助有限元分析軟件AOTUDYN開(kāi)展研究工作.通過(guò)顯示動(dòng)力分析軟件AOTUDYN對(duì)選取的試件建立模型.利用SRP材料分三種加固方式對(duì)鋼筋混凝土進(jìn)行加固，并通過(guò)計(jì)算分析爆炸情況下各個(gè)測(cè)點(diǎn)的速度時(shí)程曲線及位移時(shí)程曲線，對(duì)比未加固RC和加固RC的爆炸響應(yīng).利用位移峰值、殘余位移值等指標(biāo)，全面研究SRP材料加固層數(shù)與抗爆性能間的關(guān)系.結(jié)果表明，SRP材料能夠進(jìn)一步改善鋼筋混凝土抗爆性能.

SRP；鋼筋混凝土；爆炸；有限元

結(jié)構(gòu)中的柱、板等核心構(gòu)件出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，結(jié)構(gòu)隨即受到影響，發(fā)生坍塌事件.在全球恐怖襲擊、軍事戰(zhàn)爭(zhēng)等逐漸頻繁的今天，有關(guān)軍事工程與民用設(shè)施的抗爆設(shè)計(jì)成為人們關(guān)注的重點(diǎn).目前國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者針對(duì)一種高強(qiáng)復(fù)合SRP(steel reinforced polymer)的材料性能進(jìn)行了研究，Barton等[1]選擇4根鋼筋混凝土梁依靠SRP進(jìn)行處理，完成了4點(diǎn)彎曲分析.Kim等[2]選擇6根試驗(yàn)梁作為分析對(duì)象，依靠3點(diǎn)彎曲試驗(yàn)對(duì)SRP加固性能、加固梁無(wú)效模式及開(kāi)裂方式進(jìn)行了分析.但是有關(guān)SRP新型復(fù)合材料在混凝土構(gòu)件抗爆中的應(yīng)用探索并不多見(jiàn)，所以文中選擇有限元分析法全面模擬爆炸荷載影響時(shí)鋼筋混凝土柱的響應(yīng)，能夠盡量減小投資，有關(guān)SRP加固后的抗爆性能與相關(guān)要素的探索將更加方便、合理，不僅可以提高社會(huì)與經(jīng)濟(jì)兩方面的價(jià)值，也能讓鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗爆設(shè)計(jì)更加科學(xué)、完善.

1 爆炸沖擊波

爆炸性材料發(fā)生爆炸時(shí)，將出現(xiàn)非常顯著的氧化反應(yīng)，從而產(chǎn)生能量沖擊，導(dǎo)致附近的空氣壓力、溫度急劇增加.氣體膨脹類似于活塞運(yùn)動(dòng)，使附近的空氣受到擠壓，借此對(duì)外界傳遞壓縮波.因?yàn)楹罄m(xù)壓縮波速度更加明顯，所以會(huì)發(fā)生重疊，產(chǎn)生壓力急劇上升的特定壓縮波，也就是沖擊波.沖擊波的最前邊被稱作波陣面，或者是波前.緊跟在波陣面后的是與動(dòng)壓相關(guān)的“爆炸風(fēng)”[3-4].

現(xiàn)階段，許多研究人士針對(duì)TNT炸藥基本特性與爆炸沖擊波發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行研究時(shí)，一般選擇沖擊波壓力、沖量等參數(shù)來(lái)完成.且將比例距離定義成基本參數(shù).比例距離的定義為

(1)

式中：R為炸藥爆點(diǎn)與測(cè)點(diǎn)的間距；W為C-4同等效藥量.

2 SRP材料

加固一般采用玻璃、芳綸等纖維，同時(shí)包含樹(shù)脂、金屬等基體.對(duì)于土木工程而言，通常選擇樹(shù)脂基體中的玻璃、碳素及芳綸三種纖維作為SRP材料[5].

目前，SRP被作為一種FRP的代替品，用來(lái)維修和加固結(jié)構(gòu).經(jīng)過(guò)研究不難發(fā)現(xiàn)，SRP與FRP相比，在抗彎加固性能一致的情況下，前者需要的費(fèi)用更少.不僅如此，SRP在韌性與側(cè)向抗力兩方面更加優(yōu)越，當(dāng)面對(duì)彎曲90°強(qiáng)度時(shí)，依然十分穩(wěn)定，且抗火性能十分卓越，屬于一種比較理想的代替品.正是因?yàn)槿绱?，我們可以將SRP作為抗爆加固的主要材料[6-7].

市面中存在的一類SRP產(chǎn)品，人們將其命名成Hardwire?，不但能夠制作為熱塑性塑料，而且能夠?qū)崿F(xiàn)全新的膠凝樹(shù)脂體系，包含纖維與鋼筋加固兩方面的優(yōu)勢(shì)[8].主要是通過(guò)超高強(qiáng)鋼絲制備而來(lái)，其強(qiáng)度超過(guò)一般鋼板11倍.與玻璃纖維生產(chǎn)的復(fù)合材料相比，通過(guò)Hardwire?生產(chǎn)的復(fù)合材料厚度僅為前者的70%，質(zhì)量?jī)H為前者的75%.Hardwire?經(jīng)過(guò)塑造可得到目前已知的大部分樹(shù)脂，接著和各種商業(yè)纖維復(fù)合[9].經(jīng)美國(guó)海軍試用檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，Hardwire?材料韌性極佳，不但如此，Hardwire?還能夠與聚氨酯、聚脲兩者的復(fù)合物一起給鋼結(jié)構(gòu)帶來(lái)防爆保護(hù)，而美國(guó)軍方同樣完成了SRP防護(hù)作用的實(shí)驗(yàn)分析，結(jié)果均十分理想.

3 數(shù)值模擬分析

3.1 有限元模型

選用相關(guān)試件完成模擬分析，RC柱長(zhǎng)度是2 100 mm，兩端各選300 mm加固，有1 500 mm沒(méi)有加固，截面是150 mm×150 mm，保護(hù)層20 mm，縱向鋼筋與箍筋兩者的直徑全部是6 mm，間距100 mm.具體尺寸見(jiàn)圖1.

圖1 試件具體尺寸圖(單位：mm)

選擇AOTUDYN顯示動(dòng)力分析軟件有限元分析法進(jìn)行模擬，借此指出鋼筋混凝土圓柱爆炸沖擊波帶來(lái)的影響.數(shù)字計(jì)算過(guò)程中，基于AUTODYN材料庫(kù)各項(xiàng)參數(shù)來(lái)完成，混凝土網(wǎng)格大小是30 mm，結(jié)合文獻(xiàn)[10]選擇庫(kù)中的鋼材，強(qiáng)度是985 MPa.因?yàn)楸_擊波過(guò)程很短，同時(shí)借助環(huán)氧樹(shù)脂接合SRP、混凝土，忽略混領(lǐng)域和鋼筋、SPR間的滑移問(wèn)題，均認(rèn)為是密封接合，依靠公共節(jié)點(diǎn)直接相連，一起變形，具體部署見(jiàn)圖2.

圖2 有限元數(shù)值模擬

3.2 計(jì)算結(jié)果

數(shù)值運(yùn)算期間，為鋼筋混凝土柱安排測(cè)點(diǎn)，全面匯總測(cè)點(diǎn)數(shù)值，可以獲得各處結(jié)構(gòu)的爆炸響應(yīng)特征.圖3為模擬過(guò)程，包含3個(gè)測(cè)點(diǎn)：測(cè)點(diǎn)1，2，3分別處在圓柱迎爆面中點(diǎn)、底端中部、上端中部.

而在SRP材料加固性能的探索中，主要選擇以下加固方法進(jìn)行處理：①整體包裹；②僅對(duì)中段實(shí)施包裹處理，長(zhǎng)度500 mm；③僅包裹兩端，長(zhǎng)度分別是500 mm.炸點(diǎn)是柱中，間隔2 m，因?yàn)闇y(cè)點(diǎn)2,3完全對(duì)稱，所有只需求出測(cè)點(diǎn)1，2的結(jié)果便能夠達(dá)到目的，僅有限元運(yùn)算，能夠獲取不同工況下兩者的水平速度時(shí)程曲線(見(jiàn)圖3)，位移時(shí)程曲線，見(jiàn)圖4.

a)測(cè)點(diǎn)1

b)測(cè)點(diǎn)2圖3 速度時(shí)程曲線圖

a)測(cè)點(diǎn)1

b)測(cè)點(diǎn)2圖4 位移時(shí)程曲線圖

分析測(cè)點(diǎn)1可知，整體、中段、兩端包裹處理后，速度峰值分別減小了40%，26.9%及18.1%；分析測(cè)點(diǎn)2可知，整體、中段、兩端包裹處理后，速度峰值分別減小了52.3%，26.9%及5.6%，綜上所述，結(jié)合速度峰值減小情況可以判定，整體加固后起到的作用最為理想，其次是中段加固，最后便是兩端加固.

由圖3可知，采用不同的加固方法，PC柱測(cè)點(diǎn)速度在原有基礎(chǔ)上全部減小，分析測(cè)點(diǎn)1可知，整體、中段、兩端包裹處理后，速度峰值分別減小了40%，26.9%及18.1%；分析測(cè)點(diǎn)2可知，整體加固后，速度峰值減小52.3%，中段加固后減小了26.9%，兩端加固后減小了5.6%，綜上所述，結(jié)合速度峰值減小情況可以判定，經(jīng)過(guò)整體加固處理，作用最為理想，然后是中段加固，最后是兩端加固.

基于速度殘余值進(jìn)行研究與探討，由圖4可知，40 ms末，當(dāng)測(cè)點(diǎn)1沒(méi)有得到任何處理時(shí)，其速度殘余值達(dá)到15.2 m/s，整體包裹后是0.2 m/s，中段包裹后是8.4 m/s，兩端包裹后是0.2 m/s.當(dāng)測(cè)點(diǎn)2沒(méi)有得到任何處理時(shí)，該數(shù)值達(dá)到13.4 m/s,整體包裹后是0.1 m/s，中段包裹后是5 m/s，兩端包裹后是0.1 m/s.采用不同的加固方法，測(cè)點(diǎn)速度殘余值在原有基礎(chǔ)上全部減小，根據(jù)其減小的情況可以判定，整體加固后起到的作用最為理想，其次是兩端加固，最后便是中段加固，而整體加固、兩端加固起到的作用基本一致，所以當(dāng)材料用量受到限制時(shí)，能夠依靠?jī)啥思庸谭ㄟM(jìn)行處理，結(jié)果同樣比較合理.

基于水平位移進(jìn)行研究與探討，40 ms末，當(dāng)測(cè)點(diǎn)1沒(méi)有得到任何處理時(shí)，其水平位移達(dá)到678.4 mm,整體包裹后是20.4 mm，中段包裹后是370.3 mm，兩端包裹后是56.2 mm.當(dāng)測(cè)點(diǎn)2沒(méi)有得到任何處理時(shí)，該數(shù)值達(dá)到379.6 mm，整體包裹后是8.8 mm，中段包裹后是177.3 mm，兩端包裹后是11.5 mm.采用不同的加固方法，水平位移在原有基礎(chǔ)上全部減小，分析測(cè)點(diǎn)1可知，整體包裹后，水平位移減小了3%，中段包裹后減小了54.6%，兩端包裹后減小了8.3%，綜上所述，根據(jù)柱體水平位移情況可以判定，整體加固后起到的作用最為理想，其次是兩端加固，最后便是中段加固，且整體加固、兩端加固起到的作用基本一致，所以當(dāng)材料用量受到限制時(shí)，我們能夠依靠?jī)啥思庸谭ㄟM(jìn)行處理，結(jié)果同樣比較合理.

3.3 SRP加固層數(shù)的抗爆響應(yīng)分析

選擇整體包裹這種方法進(jìn)行處理，保持其他參數(shù)不變，僅改變SRP加固層數(shù)，借此完成加固層數(shù)抗爆響應(yīng)的分析.選擇三種工況開(kāi)展這一研究工作，同時(shí)將層數(shù)設(shè)定成1，2，3層.對(duì)于測(cè)點(diǎn)1而言，根據(jù)工況不同，位移時(shí)程曲線也會(huì)出現(xiàn)差異，見(jiàn)圖5.

圖5 測(cè)點(diǎn)二位移時(shí)程曲線圖

表1為加固層數(shù)的位移峰值與殘余位移值，由表1可知，三種情況的位移峰值分別是20.36，17.76和9 mm，殘余位移則是6，5和0.7 mm.

表1 加固層數(shù)的位移峰值與殘余位移值

由圖5可知，在層數(shù)持續(xù)上升的過(guò)程中，位移峰值持續(xù)變小，動(dòng)力性能隨之提升，40 ms后，當(dāng)層數(shù)是一層時(shí)，出現(xiàn)大幅位移，而采用另外兩種層數(shù)進(jìn)行處理，并未出現(xiàn)左、右振動(dòng)，在加固層數(shù)持續(xù)上升的過(guò)程中，剛度得到了一定提升，柱體受到的約束作用力顯著提高.

當(dāng)層數(shù)是三層時(shí)，殘余位移值急劇變小，而采用另外兩種層數(shù)進(jìn)行處理時(shí)，產(chǎn)生的作用基本一致，不難理解，此RC柱應(yīng)當(dāng)采用三層處理，可以使其抗爆性能得到顯著改善.即便如此，依然需要根據(jù)鋼筋混凝土柱尺寸與配筋的實(shí)際情況，采用最佳層數(shù)進(jìn)行處理，一方面滿足經(jīng)濟(jì)性原則，另一方面為其可靠性及壽命提供保障.

4 結(jié) 論

1) 選擇SRP材料加固RC，結(jié)合速度峰值減小情況可以判定，整體加固后起到的作用最為理想，其次是中段加固，最后便是兩端加固；結(jié)合速度殘余值減小情況可以判定，整體加固后起到的作用最為理想，其次是兩端加固，最后便是中段加固，且整體加固、兩端加固起到的作用基本一致；結(jié)合限制柱位移情況可以判定，整體加固后起到的作用最為理想，其次是兩端加固，最后便是中段加固，且整體加固、兩端加固起到的作用基本一致，所以當(dāng)材料用量受到限制時(shí)，我們能夠依靠?jī)啥思庸谭ㄟM(jìn)行處理，結(jié)果同樣比較合理.

2) SRP加固層數(shù)與目標(biāo)對(duì)象的抗爆性能同樣有著直接關(guān)聯(lián)，當(dāng)選擇層數(shù)是三層時(shí)，經(jīng)過(guò)處理后殘余位移急劇變小，但一、二層加固處理后的作用基本一致，足以表明此RC柱應(yīng)當(dāng)采用三層加固處理，可以使抗爆性能得到顯著改善.

[1]BARTON B, WOBBE E.Characterization of reinforced concrete beams strengthened by steel reinforced polymer and grout (SRP and SRG) composites[J]. Materials Science and Engineering,2005,12(12):129-136.

[2]KIM Y J, FAM A, KONG A, et al. Flexural strengthening of RC beams using steel reinforced polymer (SRP) composites[C]. Proceeding of the Eighth International Conference on Fibre Reinforced Polymer Reinforcement for Concrete Structure,2006.

[3]BERGER J O. HEFFERNAN P J, WIGHT R G. Blast testing of CFRP and SRP strengthened RC columns[C]. WIT Transactions on the Built Environment,2008,98:95-104.

[4]袁建虎，唐建，呂志堅(jiān).鋼絲網(wǎng)高強(qiáng)鋼筋混凝土抗爆性能試驗(yàn)研究[J].兵工學(xué)報(bào),2012,33(3):373-378.

[5]謝威，蔣美蓉，周建南.空爆作用下復(fù)合材料加固圓拱動(dòng)力響應(yīng)數(shù)值模擬[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2014,36(1):135-139.

[6]李忠獻(xiàn)，曲樹(shù)勝，師燕超，等.地鐵車站臺(tái)柱抗爆性能及其優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)與工程技術(shù)版),2012,46(2):96-101.

[7]方磊.建筑結(jié)構(gòu)抗爆設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)及抗爆概念設(shè)計(jì)研究[D].天津：天津大學(xué)，2012.

[8]李永琛.玻璃幕墻結(jié)構(gòu)抗爆炸性能研究[D]．沈陽(yáng)：沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，2014.

[9]劉超.預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁爆炸荷載作用效應(yīng)研究[D].武漢:武漢理工大學(xué),2012.

[10]徐福泉，杜德印.高強(qiáng)鋼絲織物加固混凝土結(jié)構(gòu)新技術(shù)[J].施工技術(shù)，2011(40)：67-70.

Studying on the Anti-explosion Performance of SRP Reinforced Concrete Materials

WANG Xiangyang LIN Youyang RAN Ruijiang

(School of Transportation, Wuhan University of Techology, Wuhan 430063, China)

Aiming at the problem that the concrete structure is easy to be destroyed, the high strength SRP material as the research object is used to strengthen the reinforced concrete, and using the finite element analysis software AOTUDYN to carry out the research work in this paper. First of all, the dynamic analysis software AOTUDYN is used to establish the model. Then, the SRP materials are divided into three kinds to reinforce concrete, and the velocity curve and displacement curve of each measuring point are analyzed. In addition, comparisons are made for the explosion responses of no reinforcement RC and reinforcement of RC. Finally, the relationship of SRP reinforcement layers and the anti explosion performance through the displacement peak value and residual displacement value are studied. The results show that SRP materials can further improve the antiknock performance of reinforced concrete.

SRP; reinforced concrete;blast; finite element

2017-04-13

*國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51178361)、湖北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2013CFB342)資助

TU375

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.03.016

王向陽(yáng)(1970—)：男，博士，教授，主要研究領(lǐng)域?yàn)闃蛄航Y(jié)構(gòu)方向