鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)抗爆性能分析研究

彭真真 古騰達(dá)

摘 要：化學(xué)品具有易燃易爆的特點(diǎn)，其爆炸引起的結(jié)構(gòu)損傷甚至整體性倒塌屢見不鮮，因此化工建筑物的抗爆性能受到廣泛關(guān)注。本文以鋼筋混凝土框架為切入點(diǎn)，著重對(duì)鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗爆性能進(jìn)行了理論研究分析。利用ABAQUS及NosaCAD有限元軟件分析爆炸荷載作用下框架結(jié)構(gòu)的抗倒塌作用機(jī)理，總結(jié)不同設(shè)防烈度的框架結(jié)構(gòu)在不同爆炸工況下的倒塌規(guī)律。

關(guān)鍵詞：易燃易爆；整體性倒塌；抗爆性能

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.14.100

0 前言

化工建筑物的抗爆性能是化工建筑結(jié)構(gòu)的重要力學(xué)性能之一。結(jié)構(gòu)遭受短時(shí)間內(nèi)的爆炸作用后，在極短時(shí)間內(nèi)發(fā)生較大的破壞，并且作用力度大、作用范圍廣，一旦發(fā)生連續(xù)性倒塌將造成經(jīng)濟(jì)和人身安全方面的巨大損失，因此提前做好有效應(yīng)對(duì)措施很有必要。因此，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行爆炸荷載作用下的抗倒塌分析具有十分重要的意義。由于爆炸沖擊荷載具有傳播速度快、作用時(shí)間短、峰值大以及負(fù)超壓等特點(diǎn)，其作用下的結(jié)構(gòu)倒塌比其他原因引起的倒塌在受力方式與作用機(jī)理方面更加復(fù)雜。本文將以框架結(jié)構(gòu)為例，通過有限元分析研究結(jié)構(gòu)在爆炸荷載作用下的抗倒塌能力，從而分析研究框架結(jié)構(gòu)的抗爆性能。

1 數(shù)值分析模型

1.1 典型算例

本文以一個(gè)典型的7層非整體現(xiàn)澆框架結(jié)構(gòu)建筑為例，對(duì)框架結(jié)構(gòu)抗爆性能研究方法加以說明。本文在不同的設(shè)防烈度，進(jìn)行不同區(qū)域構(gòu)件拆除模擬爆炸作用，以抗倒塌驗(yàn)算為標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的抗爆性能分析。

地震信息：丙類建筑，場(chǎng)地土類型為Ⅱ類，地震分組取第二組。震設(shè)防烈度分別取6 度（0.05g）、7 度（0.10g）和 8度（0.20g）。

材料信息、結(jié)構(gòu)布置和荷載信息均設(shè)置一致（僅設(shè)防烈度參數(shù)變動(dòng)）。

1.2 數(shù)值分析方法

分析步驟：

步驟1：有限元軟件建模并模擬加載爆炸荷載；

步驟2：結(jié)構(gòu)在此作用下保持力學(xué)平衡；

步驟3：拆除對(duì)應(yīng)的有限元單元，模擬結(jié)構(gòu)的爆炸荷載；

步驟4：對(duì)剩余的結(jié)構(gòu)構(gòu)件作爆炸荷載作用下的動(dòng)力分析；

步驟5：檢驗(yàn)?zāi)芊駶M足規(guī)范驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)；

步驟6：對(duì)設(shè)計(jì)做出改進(jìn)、驗(yàn)算并得出結(jié)論。

連續(xù)倒塌判定準(zhǔn)則：根據(jù)DOD2010的規(guī)定，在梁兩端相對(duì)位移達(dá)到梁跨度的20%時(shí)，理論上認(rèn)為結(jié)構(gòu)已經(jīng)在爆炸荷載作用下發(fā)生了連續(xù)性倒塌。

2 框架結(jié)構(gòu)倒塌機(jī)制分析

本文分別從四個(gè)典型結(jié)構(gòu)區(qū)域做出了爆炸荷載作用下的抗連續(xù)倒塌性能分析：頂層角柱區(qū)域、頂層縱向區(qū)域、頂層橫向區(qū)域和頂層柱子內(nèi)部區(qū)域。

2.1 角部區(qū)域

按6度抗震設(shè)計(jì)的框架結(jié)構(gòu)頂層角柱模擬加載爆炸荷載，一旦產(chǎn)生初始的破壞，兩個(gè)方向的框架梁均無法形成有效的延性破壞，只能通過梁端提供的彎矩作用來有效抵抗爆炸作用引起的不平衡荷載。

2.2 長(zhǎng)邊區(qū)域

按6度抗震設(shè)計(jì)的框架結(jié)構(gòu)頂層長(zhǎng)邊中柱模擬加載爆炸荷載，結(jié)構(gòu)并沒有發(fā)生破壞，而是在0.33秒左右重新進(jìn)入另一受力平衡狀態(tài)。這種破壞作用下，結(jié)構(gòu)的梁端彎矩承載力提供主要抗力承載力。橫向形成一定的壓拱作用機(jī)制，沿縱向則沒有形成明顯的延性拱效應(yīng)。

2.3 短邊區(qū)域

6度抗震設(shè)計(jì)的框架結(jié)構(gòu)頂層長(zhǎng)邊中柱拆除后，在0.5秒左右變形超過梁的變形極限，此時(shí)認(rèn)定結(jié)構(gòu)發(fā)生了延性破壞。6度抗震設(shè)計(jì)的框架結(jié)構(gòu)頂層內(nèi)部區(qū)域中柱拆除后，在0.25秒左右重新進(jìn)入新的力學(xué)平衡狀態(tài)，未發(fā)生脆性破壞，結(jié)構(gòu)并沒有發(fā)生倒塌。結(jié)構(gòu)尚處于延性階段，兩個(gè)方向的框架梁以梁端抗彎承載力提供結(jié)構(gòu)抗力。

2.4 計(jì)算結(jié)果總結(jié)

對(duì)3個(gè)不同設(shè)防烈度的典型框架結(jié)構(gòu)的不同結(jié)構(gòu)區(qū)域進(jìn)行爆炸荷載下的抗倒塌分析，結(jié)果如下表所示：

3 結(jié)論

本文以框架結(jié)構(gòu)的數(shù)值分析模型為基點(diǎn)，進(jìn)行了爆炸荷載作用下結(jié)構(gòu)倒塌的模擬與分析，研究了結(jié)構(gòu)爆炸荷載下倒塌的力學(xué)機(jī)制，從而分析出了結(jié)構(gòu)在爆炸作用下的抗爆性能。

（1）不同平面區(qū)域的影響。以上對(duì)于框架結(jié)構(gòu)四個(gè)典型區(qū)域的分別作了有限元拆除構(gòu)件分析，也即模擬在爆炸荷載作用下結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)性倒塌性能分析。其中角部約束性能最弱，使得在爆炸荷載作用的備選傳力路徑最少，且只能以梁端彎矩來提供有效的抗倒塌抗力。長(zhǎng)邊區(qū)域所受約束較多，備選力學(xué)路徑較多，承載力較強(qiáng)從而相對(duì)抗爆性能較好。對(duì)于短邊區(qū)域，由于縱向框架梁跨度較大，所受外荷載區(qū)域較大，此區(qū)域爆炸破壞后較較其他區(qū)域更加容易發(fā)生倒塌。從以上分析，四個(gè)區(qū)域抗爆能力依次為： 內(nèi)部區(qū)域較強(qiáng)，縱向抗爆能力大于橫向抗爆能力，角柱部分抗爆能力最差，這部分應(yīng)做較強(qiáng)的構(gòu)造措施以保證提高其延性破壞能力?；そㄖ镆嗽诮遣繀^(qū)域及短邊區(qū)域作適當(dāng)?shù)募訌?qiáng)構(gòu)造措施，以提高結(jié)構(gòu)的魯棒性與整體穩(wěn)定性，從而增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗爆性能。

（2）抗震設(shè)防烈度的影響。結(jié)構(gòu)在不同設(shè)防烈度工況下抗爆性能不同，烈度越高抗爆性能越差，在實(shí)際工程中應(yīng)當(dāng)采取必要的措施以提高抗爆性能。抗震與抗爆性能的提高同時(shí)能提高都有賴于其延性、整體穩(wěn)定性與耗能能力的提高?？拐鹪O(shè)計(jì)造成的構(gòu)件截面尺寸和配筋上的提高，在增加梁的抗彎承載力同時(shí)，也改善了結(jié)構(gòu)的抗爆性能。通過分析可以看出，抗震設(shè)防烈度越高，對(duì)抗爆性能提高的效果越顯著。