爆炸荷載作用下鋼筋混凝土框架柱的破壞形態(tài)分析

王 釗

（濱州市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院， 山東 濱州 256600）

框架結(jié)構(gòu)作為最普遍的結(jié)構(gòu)形式被廣泛地應(yīng)用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。作為框架結(jié)構(gòu)的重要組成部分，框架柱具有不可替代的作用?？蚣苤休d著上部結(jié)構(gòu)（包括梁、板及其它結(jié)構(gòu)構(gòu)件）傳來的豎向荷載，一旦框架柱發(fā)生倒塌，將會(huì)造成人員傷亡及難以估量的經(jīng)濟(jì)損失。本文采用通用有限元軟件LS－DYNA對(duì)爆炸荷載作用下框架柱的破壞形態(tài)進(jìn)行分析。

1 框架柱尺寸、炸藥藥量與爆炸點(diǎn)位置

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》與《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)規(guī)定，標(biāo)準(zhǔn)柱截面尺寸為0.6m×0.6m、高度3m，框架柱上下兩端采用固定端約束。TNT炸藥會(huì)產(chǎn)生很大的超壓荷載而對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件造成嚴(yán)重的破壞。筆者根據(jù)以往學(xué)者的研究成果，選擇 W=10kg兩種藥量。該藥量既保證了框架柱能夠發(fā)生破壞而又不至發(fā)生完全破壞。爆炸點(diǎn)位置的選擇對(duì)于研究爆炸荷載作用下結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞形態(tài)非常重要，筆者將炸藥布置在距離柱底1m處。

2 有限元模型與荷載的施加

2.1 有限元模型

混凝土采用SOLID164單元，鋼筋采用BEAM161單元。混凝土與鋼筋物理力學(xué)參數(shù)見表1、表2。根據(jù)眾多學(xué)者的數(shù)值模擬經(jīng)驗(yàn)，爆炸超壓作用時(shí)間很短，可以忽略鋼筋與混凝土之間的相對(duì)滑移，故采用共用節(jié)點(diǎn)的方式定義兩者之間的接觸。鋼筋與混凝土有限元網(wǎng)格尺寸均為10mm。

爆炸荷載作用下，混凝土?xí)l(fā)生損傷甚至破環(huán)。LS－DYNA中，各混凝土材料模型較難直觀地觀察到裂縫及破環(huán)情況。筆者通過添加關(guān)鍵字*MAT_ADD_EROSION觀察單元?jiǎng)h除情況。

表1 C40混凝土模型參數(shù)

表2 HRB400鋼筋模型參數(shù)

2.2 爆炸荷載與重力荷載的施加

利用 LS－DYNA關(guān)鍵字*LOAD_BLAST_ENHANCED配合關(guān)鍵字*LOAD_SEGMEMT_SET定義爆炸荷載及受荷區(qū)域。炸藥采用標(biāo)準(zhǔn) TNT，藥量取10kg。

利用LS－DYNA關(guān)鍵字*DEFINE_CURVE配合關(guān)鍵字*LOAD_BODY_Y定義梁豎直方向的重力，重力加速度取值9.81m/s2。

3 爆炸荷載作用下框架柱破壞形態(tài)分析

圖 1表示爆炸荷載作用下框架柱混凝土塑性變形及上部、中部、下部鋼筋單元的應(yīng)力時(shí)程曲線，通過對(duì)圖形分析可以看出：

（1）、由于爆炸荷載距離柱底面1m處，所以混凝土塑性破壞區(qū)主要分布在框架柱中下部位。爆炸點(diǎn)正對(duì)柱混凝土出現(xiàn)損傷破壞，表現(xiàn)在混凝土塑性應(yīng)力圖上為紅色區(qū)域。隨著時(shí)間推進(jìn)，由于在爆炸荷載作用下，柱底彎矩最大，所以柱底出現(xiàn)破壞，混凝土單元被刪除。

（2）、筆者選取柱上部、中部、下部三處鋼筋應(yīng)力時(shí)程曲線作為分析對(duì)象。2ms之前，柱在重力荷載作用下發(fā)生彈性變形，鋼筋在彈性范圍內(nèi)，鋼筋產(chǎn)生壓應(yīng)力，應(yīng)力時(shí)程曲線表現(xiàn)為一段直線。2ms～3ms時(shí)間段內(nèi)，爆炸荷載作用于混凝土柱上，鋼筋應(yīng)力迅速增大至100MPa并發(fā)生振動(dòng)，振動(dòng)時(shí)間大約持續(xù)1ms。4ms以后，爆炸荷載作用時(shí)間結(jié)束，混凝土柱發(fā)生破壞，鋼筋應(yīng)力趨向于零。

圖1 爆炸荷載作用下，柱混凝土應(yīng)力分布及鋼筋應(yīng)力曲線

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