鋼管混凝土柱的爆炸響應(yīng)數(shù)值分析

孫珊珊，趙均海，付 國

(1.長安大學(xué) 建筑工程學(xué)院， 陜西 西安 710061；2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院， 陜西 楊凌 712100)

鋼管混凝土由于受力合理、承載力高、經(jīng)濟(jì)效益顯著等優(yōu)勢廣泛用作建筑結(jié)構(gòu)的豎向承載力構(gòu)件[1-3]。除常規(guī)荷載外，其在生命周期內(nèi)可能會遭受到爆炸或沖擊等強(qiáng)動載荷的作用，這些荷載遠(yuǎn)大于結(jié)構(gòu)的設(shè)計工況，豎向承載力構(gòu)件的局部失效可引發(fā)整體結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌，因此研究鋼管混凝土柱在爆炸荷載下的動態(tài)響應(yīng)及破壞機(jī)理具有非常重要的工程應(yīng)用價值。

國內(nèi)外學(xué)者已開展了少量小尺寸構(gòu)件的鋼管混凝土柱靜爆試驗(yàn)，Shuichi Fujikura等[4]進(jìn)行了10根圓鋼管混凝土橋墩柱的爆炸試驗(yàn)，并建立了考慮壓力折減等因素的最大動變形計算方法。李國強(qiáng)等[5]通過12根鋼管混凝土試件的現(xiàn)場爆炸試驗(yàn)分析了柱的位移和應(yīng)變變化以及沖擊波在柱面的分布規(guī)律。爆炸荷載下構(gòu)件的破壞機(jī)理較為復(fù)雜，靜爆類試驗(yàn)鑒于其持時短、瞬時釋放能量大且易受環(huán)境擾動等特性，試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集和分析具有較大困難，而數(shù)值模擬方法以其求解效率高、結(jié)果直觀可視性強(qiáng)等諸多優(yōu)勢廣泛應(yīng)用于防護(hù)工程中。本文采用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA模擬了爆炸載荷下鋼管混凝土柱的破壞形態(tài)和動力響應(yīng)，并比較分析了各因素對構(gòu)件動態(tài)響應(yīng)的影響，研究成果為鋼管混凝土柱在防護(hù)工程中的應(yīng)用提供了可靠的理論參考。

1 數(shù)值模擬

1.1 爆炸荷載

爆炸荷載的輸入方法有3種：第一種是時間荷載曲線加載法，基于TM5-1300獲取超壓峰值和正壓持時，通過這兩個特征參數(shù)定義數(shù)組或曲線施加爆炸荷載，該方法不能考察爆炸沖擊波與被爆結(jié)構(gòu)的相互作用；第二種是CONWEP經(jīng)驗(yàn)爆炸模型，該方法無需建立和劃分爆炸場網(wǎng)格，模型計算省時，缺點(diǎn)是不能考慮炸藥形狀、以及障礙物對被爆結(jié)構(gòu)的影響等因素；第三種是建立炸藥、空氣及結(jié)構(gòu)的模型，添加關(guān)鍵字實(shí)現(xiàn)ALE流固耦合算法，該方法可以考察爆炸沖擊波在介質(zhì)中的傳播以及與被爆結(jié)構(gòu)的相互作用，計算結(jié)果明確直觀，對計算硬件要求較高。

1.2 數(shù)值模型

圖1 幾何模型

圖2無反射邊界和地面反射邊界條件

1.3 材料模型

(1)

表1 *MATPLASTICKINEMATIC控制卡片關(guān)鍵字設(shè)置

表2 *MATJ-H-C控制卡片關(guān)鍵字設(shè)置

J-H-C模型的屈服面方程以規(guī)范化等效應(yīng)力(真實(shí)應(yīng)力和靜態(tài)強(qiáng)度之比)描述：

(2)

J-H-C模型損傷演化方程以等效塑性應(yīng)變和塑性體積應(yīng)變的累積表示為：

(3)

J-H-C模型將混凝土的壓縮變形分為三個階段，分別是：線彈性、塑性過渡和壓實(shí)。其狀態(tài)方程為：

(4)

2 驗(yàn)證與分析

2.1 模擬驗(yàn)證

為驗(yàn)證該數(shù)值模型的合理性，采用同樣的建模方式及材料模型，對本課題組開展的鋼管混凝土柱靜爆試驗(yàn)中的三種工況進(jìn)行了模擬計算[13-15]。試件外鋼管的屈服強(qiáng)度為293 MPa，核心混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為40.63 MPa，截面形式均為圓形。將爆后柱中殘余變形的數(shù)值解與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較如表3所示。工況1條件下鋼管混凝土柱中撓度數(shù)值解為10.02 mm，撓跨比為0.5%，屬于彈性變形，試驗(yàn)實(shí)測跨中撓度為8 mm，與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好；工況2和工況3條件下，柱中發(fā)生彎曲破壞，殘余變形的數(shù)值解比試驗(yàn)結(jié)果略大，平均誤差約為10%，這是由于試驗(yàn)中的場地條件為土質(zhì)，而非數(shù)值模型中的完全剛性平面，地面反射條件不同所致；總體上，本文建模方式、材料模型及計算方法所確立模型的數(shù)值解與試驗(yàn)實(shí)測值相比，誤差隨著比例距離減小而減小，能夠較好模擬鋼管混凝土構(gòu)件在爆炸作用下的變形及破壞。

表3 受爆后柱中殘余變形的試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值解

2.2 破壞形態(tài)

結(jié)合已確立的數(shù)值模擬方法，探究鋼管混凝土柱在不同爆炸荷載下的破壞模式。大量工況模擬結(jié)果表明，比例距離和炸藥當(dāng)量為決定鋼管混凝土柱的破壞形式的間接因素，直接因素為作用在鋼管混凝土柱上的超壓峰值以及正壓作用的時間。當(dāng)爆炸荷載呈現(xiàn)出低超壓峰值、高持時特點(diǎn)時(尤其是持時遠(yuǎn)大于結(jié)構(gòu)構(gòu)件自振周期)，如計算工況中對應(yīng)反射超壓為25 MPa，正壓持時為10 ms，該工況具有較小的超壓峰值和較長的正壓持時，試件有充分的時間發(fā)生彎曲變形，此時外鋼管屈服、壓區(qū)混凝土壓碎，屬于彎曲破壞(見圖3)；當(dāng)爆炸荷載為高超壓峰值、低持時特點(diǎn)時(尤其是持時遠(yuǎn)小于結(jié)構(gòu)構(gòu)件自振周期)，如計算工況中對應(yīng)反射超壓為800 MPa，正壓持時為0.3 ms，正壓持時較為短暫，柱頭和柱腳剪切應(yīng)力的增速快于柱中的彎曲變形，因此支座處發(fā)生直剪破壞或剪跨區(qū)發(fā)生斜剪破壞，屬于剪切破壞(見圖4)；當(dāng)爆炸荷載的超壓峰值和持時介于以上兩種情況之間時，如計算工況中對應(yīng)反射超壓為100 MPa，正壓持時為2 ms，易于發(fā)生彎剪破壞(見圖5)。

圖3 彎曲破壞

圖4 剪切破壞

圖5彎剪破壞

3 參數(shù)分析

為探討不同參數(shù)對鋼管混凝土柱抗爆性能的影響，基于上述已建立的數(shù)值模擬方法，從核心混凝土抗壓強(qiáng)度、鋼管屈服強(qiáng)度、含鋼率、截面形狀四個方面，對比了不同參數(shù)下爆炸荷載作用下的柱中最大位移。數(shù)值模型中，鋼管混凝土柱直徑為273 mm，外鋼管壁厚為7 mm，柱高為1 800 mm，TNT炸藥當(dāng)量取為50 kg，爆心水平距離為0.7 m，爆心高度0.9 m。

3.1 核心混凝土抗壓強(qiáng)度

為研究核心混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，取混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值分別為30 MPa、40 MPa、50 MPa、60 MPa進(jìn)行對比分析，圖6給出了不同混凝土抗壓強(qiáng)度下柱中點(diǎn)水平位移時程曲線，隨混凝土抗壓強(qiáng)度提高，鋼管混凝土柱中水平位移減小。這是由于隨著強(qiáng)度等級的提高，混凝土的抗拉、抗壓強(qiáng)度均相應(yīng)提高，可有效減小柱中變形量。

圖6不同混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值下柱中點(diǎn)水平位移時程曲線

3.2 鋼管屈服強(qiáng)度

為研究鋼管屈服強(qiáng)度對試件變形的影響，保持其他因素不變，鋼管屈服強(qiáng)度分別取為235 MPa、345 MPa、390 MPa、420 MPa進(jìn)行對比分析，圖7給出了不同鋼材屈服強(qiáng)度柱中點(diǎn)水平位移時程曲線，整體上，隨鋼管屈服強(qiáng)度的提高，柱中水平位移呈遞減趨勢，當(dāng)屈服強(qiáng)度分別為345 MPa、390 MPa和420 MPa時，對應(yīng)柱中水平殘余位移為91.73 mm、86.06 mm和82.41 mm，但當(dāng)屈服強(qiáng)度為235 MPa時，柱中水平殘余位移增加至135.70 mm，增幅較大。結(jié)果表明：適當(dāng)提高鋼管強(qiáng)度對提升鋼管混凝土柱的抗爆性能有積極意義，但當(dāng)鋼管強(qiáng)度等級≥345 MPa時，增大鋼管屈服強(qiáng)度對提高抗爆性能影響不明顯。

圖7不同鋼材屈服強(qiáng)度下柱中點(diǎn)水平位移時程曲線

3.3 含鋼率

為研究含鋼率對試件變形的影響，鋼管外徑保持273 mm不變，壁厚分別取為4 mm、5 mm、6 mm、7 mm、8 mm和9 mm，對應(yīng)含鋼率為0.06、0.08、0.09、0.11、0.13和0.15。圖8給出了不同含鋼率柱中點(diǎn)水平位移時程曲線，隨含鋼率的增加，柱中水平位移減小。這是由于伴隨含鋼率的提高，不僅外鋼管的截面剛度增大，同時增強(qiáng)了對核心混凝土的約束作用，混凝土強(qiáng)度得以提高，進(jìn)而有效降低柱中殘余變形。

圖8不同含鋼率柱中點(diǎn)水平位移時程曲線

3.4 截面形狀

為比較截面形狀對試件動態(tài)響應(yīng)的影響，選取方形和圓形兩種截面形式的鋼管混凝土柱為研究對象，使方柱的邊長等于圓柱的直徑，取值為273 mm，保持其它參數(shù)不變。由圖9可知，相同爆炸荷載作用下，圓柱發(fā)生彎曲破壞，最大殘余位移為105 mm，方柱呈現(xiàn)出柱頂和柱腳嚴(yán)重的剪切破壞，構(gòu)件喪失承載力。這是由于方形的柱截面不利于爆炸波的繞射，容易導(dǎo)致沖擊波在局部區(qū)域集中并對柱產(chǎn)生較大的危害。因此，圓形截面柱有較強(qiáng)的抵御爆炸荷載的能力。

圖9不同截面形狀柱中點(diǎn)水平位移時程曲線

4 結(jié) 論

基于流固耦合數(shù)值模擬方法，利用ANSYS/LS-DYNA模擬了鋼管混凝土柱在地面爆炸荷載下的動態(tài)響應(yīng)及破壞形態(tài)，并進(jìn)行了抗爆性能影響參數(shù)分析，結(jié)果表明：

(1) 爆炸荷載下鋼管混凝土柱易發(fā)生的典型破壞類型分別為：彎曲破壞、剪切破壞和彎剪破壞，破壞類型與作用在其上的超壓峰值以及正壓作用時間直接相關(guān)：低超壓峰值-高持時爆炸荷載作用下，發(fā)生彎曲破壞；高超壓峰值-低持時爆炸荷載作用下，發(fā)生剪切破壞；二者之間，發(fā)生彎剪破壞。

(2) 增大混凝土抗壓強(qiáng)度、提高含鋼率和鋼管屈服強(qiáng)度，均可降低柱中殘余變形，顯著提高鋼管混凝土柱的抗爆性能；適當(dāng)提高鋼管強(qiáng)度對提升鋼管混凝土柱的抗爆性能有積極意義；圓形截面柱有較強(qiáng)的抵御爆炸荷載的能力。

參考文獻(xiàn)：

[1] 鐘善桐.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.

[2] 韓林海，楊有福.現(xiàn)代鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)[M].2版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007.

[3] 王吉忠，劉連鵬，葉 浩.鋼管-混凝土組合柱在我國的研究進(jìn)展與展望[J].水利與建筑工程學(xué)報，2014，12(4)：143-149.

[4] Fujikura S, Bruneau M, Lopezgarcia D. Experimental investigation of multihazard resistant bridge piers having concrete-filled steel tube under blast loading[J]. Journal of Bridge Engineering，2008，13(6)：586-594.

[5] 李國強(qiáng)，翟海燕，楊濤春，等.鋼管混凝土墩柱抗爆性能試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2013，34(12)：69-76.

[6] 石少卿，康建功，汪 敏，等. ANSYS/LS-DYNA在爆炸與沖擊領(lǐng)域內(nèi)的工程應(yīng)用[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[7] 杜 仇，劉永軍，李錫鑫，等.爆炸荷載下圓截面鋼-混凝土-CFRP-混凝土組合柱動力響應(yīng)數(shù)值模擬[J].水利與建筑工程學(xué)報，2016，14(5)：55-60.

[8] 吳 賽.爆炸荷載下復(fù)式鋼管混凝土柱動力響應(yīng)研究[D].西安：長安大學(xué)，2015.

[9] 楊仁樹，丁晨曦，王雁冰，等.爆炸應(yīng)力波與爆生氣體對被爆介質(zhì)作用效應(yīng)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2016，35(2)：3501-3506.

[10] LS-DYNA. Keyword User's Manual[M]. Livermore，California: Livermore Software Technology Coporation, 2006.

[11] 李 楠，趙均海，吳 賽，等.鋼纖維高強(qiáng)混凝土墻基于CONWEP的爆炸響應(yīng)[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報，2014，46(6)：833-838，855.

[12] 田 力，胡 楊.汽車撞擊和爆炸共同作用下鋼筋混凝土柱的動力響應(yīng)與破壞模式[J].建筑科學(xué)與工程學(xué)報，2017，34(1)：41-48.

[13] 孫珊珊.爆炸荷載下鋼管混凝土柱抗爆性能研究[D].西安：長安大學(xué)，2013.

[14] 崔 瑩.爆炸荷載下復(fù)式空心鋼管混凝土柱的動態(tài)響應(yīng)及損傷評估[D].西安：長安大學(xué)，2013.

[15] 崔 瑩，趙均海，張常光，等.復(fù)式空心鋼管混凝土柱抗爆性能及損傷研究[J].振動與沖擊，2015,34(21)：188-193，216.