鋼管混凝土柱-鋼梁組合框架在爆炸荷載作用下的破壞模式分析

李錦濤，毛 毳，宋 欣

（天津城建大學(xué) 土木工程學(xué)院，天津 300384）

近些年來，隨著人類物質(zhì)生產(chǎn)力水平的發(fā)展，越來越多的高層建筑物出現(xiàn)在人們的視野當(dāng)中，而這些建筑因為人們的密集群聚更容易成為恐怖爆炸襲擊的目標(biāo).在結(jié)構(gòu)方面，許多的高層建筑開始使用鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)，如天津津塔、深圳京基金融中心等，故對這種結(jié)構(gòu)的抗爆性能進(jìn)行研究是十分必要的.

蘭州理工大學(xué)的王文達(dá)教授課題組對鋼管混凝土柱-鋼梁組合框架的力學(xué)性能做了大量的研究，最后的結(jié)果都表明了該類組合框架具有良好的抗沖擊性能[1-3].但是，現(xiàn)在對于該類組合框架的研究多集中于抗震方面，或是圍繞梁柱節(jié)點以及單獨構(gòu)件在爆炸荷載作用下的動力響應(yīng)和損傷參數(shù)，關(guān)于整體組合結(jié)構(gòu)的抗爆炸性能還鮮有人研究.因此，本文運用顯式動力學(xué)有限元軟件ANSYS/LS-DYNA，分析了在爆炸荷載作用下，鋼管混凝土組合框架的破壞形式，以及炸藥當(dāng)量和樓板對破壞的影響，從而找出其薄弱環(huán)節(jié).

1 有限元模型的建立

考慮到計算量，本文僅建立了單層的鋼管混凝土組合框架有限元模型進(jìn)行研究，框架、空氣、炸藥和剛性地面皆采用SOLID164單元建立模型，炸藥位于結(jié)構(gòu)的中心位置，距地面100 mm處，具體見圖1.

圖1 整體模型示意

1.1 幾何模型及荷載

組合框架模型如圖2所示，該鋼管混凝土-鋼梁外環(huán)板式框架雙向?qū)ΨQ，縱橫兩向跨度皆為4 500 mm，層高3 600 mm，圓鋼管柱直徑D為400 mm，其中鋼管壁厚10 mm，鋼梁尺寸400 mm×250 mm×10 mm×10 mm（高度×寬度×腹板厚×翼緣厚）.外加強環(huán)板平面尺寸見圖3，環(huán)板厚度10 mm，樓板厚度為100 mm.鋼管及鋼梁采用Q345鋼，核心區(qū)混凝土柱混凝土強度等級為C50，樓板混凝土強度等級為C25.整體框架施加自重及活載，樓面活載取2 kN/m2，不考慮風(fēng)荷載的影響.空氣域四周皆采用無反射邊界，數(shù)值模擬采用ALE算法，單位制選用 cm-g-μs，運算時間為 10 000 μs.

圖2 組合框架模型

圖3 外環(huán)板節(jié)點尺寸

1.2 材料參數(shù)

本文采用JOHNSON_HOLMQUIST_CONCRET[4-5]模型來模擬混凝土，該模型綜合考慮了大應(yīng)變、高應(yīng)變率，具體參數(shù)見表1.

表1 混凝土模型參數(shù)[6-7]

鋼管及鋼梁用MAT_PLASTIC_KINEMATIC[4]模型來進(jìn)行模擬，該模型考慮了鋼的應(yīng)變率效應(yīng)，具體參數(shù)見表2.

表2 Q345鋼模型參數(shù)[6，8]

對于理想空氣選用MAT_NULL[4]和線性多項式狀態(tài)方程*EOS_LINEAR_POLYNOMINAL[4]進(jìn)行模擬，具體參數(shù)見表3.

采用了MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN[4]材料模型和JWL[4]狀態(tài)方程來模擬TNT炸藥，具體參數(shù)見表4.

表3 空氣狀態(tài)方程參數(shù)[9]

表4 炸藥狀態(tài)方程參數(shù)[8]

1.3 材料失效準(zhǔn)則及侵蝕算法

ANSYS/LS-DYNA里大多數(shù)材料在失效時并沒有程序自動判斷其單元、節(jié)點是否發(fā)生了失效而進(jìn)行刪除，所以單元在發(fā)生大的變形、位移或者失效時，很可能會出現(xiàn)網(wǎng)格畸變，造成單元負(fù)體積等問題.考慮到上述情況本文采用了侵蝕算法[4]來控制材料的失效，經(jīng)過試算，選取了單元最大主應(yīng)變0.05和最大剪應(yīng)變0.9作為判別單元失效的準(zhǔn)則.

2 組合框架的破壞形式及動力反應(yīng)

選取67.2 kg的炸藥模擬組合框架在爆炸荷載作用下的破壞過程（見圖4）.如圖4所示，爆炸前混凝土樓板在靜力作用下，板柱節(jié)點位置處受力較大.爆炸發(fā)生后，板中心位置在爆炸沖擊波作用下發(fā)生沖切破壞，沿著兩條垂直的塑形鉸線起拱，板柱節(jié)點處破壞后裂縫沿著梁板交接處不斷發(fā)展.

圖5為靜力下框架的Mises等效應(yīng)力云圖，可以看出此時梁的跨中和節(jié)點處為受力較大的位置.當(dāng)炸藥爆炸后，爆炸沖擊波首先到達(dá)柱的迎爆面，隨后力傳遞至柱腳，當(dāng)沖擊波到達(dá)梁下翼緣位置時，梁開始產(chǎn)生變形，下翼緣內(nèi)側(cè)部分向上彎曲.隨后沖擊波不斷上移，到達(dá)梁腹板處高度時，腹板受到?jīng)_擊作用開始產(chǎn)生水平位移，并將力傳遞至梁端，梁柱節(jié)點受力劇增，此時沖擊波已經(jīng)位于梁的下翼緣上部，下翼緣開始產(chǎn)生向下的彎曲變形，而上翼緣兩側(cè)部分以腹板為軸線向上彎曲，由于有板的約束，腹板下部水平位移要大于上部，梁柱節(jié)點與腹板交接處的力開始往下傳遞，下環(huán)板受到很大的水平拉力，并將其向柱端傳遞，柱上部受到節(jié)點傳遞來的水平力產(chǎn)生向結(jié)構(gòu)內(nèi)部的彎曲變形.隨著爆炸荷載在結(jié)構(gòu)上的不斷作用，梁的上下翼緣屈曲變形也不斷變大，下外環(huán)板受到拉力作用開始出現(xiàn)開裂.框架最終破壞形式如圖6所示，可以看出此時環(huán)板被拉裂，梁失去約束導(dǎo)致位移劇增，結(jié)構(gòu)遭到破壞.

圖4 混凝土樓板Mises等效應(yīng)力云圖

圖5 靜力下框架Mises等效應(yīng)力云圖

圖6 最終時刻框架Mises等效應(yīng)力云圖

綜上可以看出此種外環(huán)板組合框架破壞的根源在于鋼梁在爆炸沖擊荷載作用下產(chǎn)生了很大的屈曲變形，導(dǎo)致梁柱節(jié)點處外環(huán)板被拉裂，梁失去約束而產(chǎn)生了過大的位移.由于鋼梁的剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鋼筋混凝土梁，沒有產(chǎn)生很大的剪切破壞，梁柱節(jié)點處是被拉壞而不是剪切破壞，這是與普通鋼筋混凝土框架破壞最大的不同之處.

3 炸藥當(dāng)量的影響

經(jīng)過試算，本文最終選取了 10.8，39.6，61.2，100.8 kg共4種情況進(jìn)行比較，炸藥位置依然在結(jié)構(gòu)中心處，距離地面100 mm，分別記為工況1、工況2、工況3和工況4.

隨著炸藥當(dāng)量的增大，板更早出現(xiàn)破壞，板柱結(jié)合部完全破壞，且梁板結(jié)合部位也出現(xiàn)破壞.板的破壞形式由受彎破壞變?yōu)橐詻_切破壞為主（見圖7-8）.

圖7 工況1板的破壞

圖8 工況3板的破壞

梁柱節(jié)點由于梁屈曲變形而受拉出現(xiàn)塑性變形，隨著炸藥當(dāng)量的增大，梁產(chǎn)生的水平位移不斷增大，致使節(jié)點處梁柱節(jié)點最終被完全拉壞（見圖9）.

核心混凝土柱的破壞以受彎破壞為主，梁柱節(jié)點處柱內(nèi)側(cè)混凝土?xí)艿江h(huán)板應(yīng)力集中的影響，從下環(huán)板位置處開始出現(xiàn)損傷，之后向上延伸.隨著炸藥當(dāng)量的增長，混凝土柱迎爆面開始出現(xiàn)沖切破壞，而背爆面也隨著柱彎曲的增大而出現(xiàn)拉壞（見圖10）.

圖9 工況4梁柱節(jié)點最終破壞

圖10 核心區(qū)混凝土柱最終破壞

從結(jié)構(gòu)破壞過程中可以發(fā)現(xiàn)，外環(huán)板處為結(jié)構(gòu)薄弱的位置，故選取該位置處單元進(jìn)行分析.因由破壞形式可以看出，環(huán)板的破壞由受拉引起，故重點比較了環(huán)板處的最大拉應(yīng)力（見圖11），由圖11可知工況4環(huán)板在100.8 kg當(dāng)量炸藥作用下，很快即達(dá)到最大拉應(yīng)力峰值753 MPa，隨后單元因超過極限拉應(yīng)變而失效，最終拉應(yīng)力降為0 MPa.圖12為環(huán)板處有效塑性應(yīng)變時程曲線.由圖12可知：工況1拉應(yīng)力峰值剛剛超過Q345鋼的屈服強度，環(huán)板因此未遭受破壞，結(jié)構(gòu)也只是產(chǎn)生了很小的塑性應(yīng)變；工況2的塑性應(yīng)變最終為0.11；工況3為0.15，較工況2增大了1.36倍；工況4的塑性應(yīng)變最終為0.20，較工況3增大了1.33倍.可見塑性應(yīng)變的增幅基本與炸藥當(dāng)量增大的倍數(shù)一致.隨著炸藥當(dāng)量的增大，應(yīng)變率對構(gòu)件的影響不斷增大，故比較了環(huán)板處單元的速度變化（見圖13），由圖13可以看出構(gòu)件的變形速度越來越快，環(huán)板在短時間即遭到破壞，不能充分發(fā)揮材料的延性.

圖14比較了4種工況鋼梁下翼緣跨中位置的Tresca最大切應(yīng)力，隨著炸藥當(dāng)量的增大，切應(yīng)力的峰值越來越大，工況4的峰值已經(jīng)達(dá)到329 MPa，可見梁下翼緣逐漸由彎曲破壞向彎曲剪切耦合破壞變化.

圖11 環(huán)板處最大拉應(yīng)力時程曲線

圖12 環(huán)板處有效塑性應(yīng)變時程曲線

4 混凝土樓板的影響

為研究混凝土樓板的存在是否對組合框架結(jié)構(gòu)在爆炸荷載下的破壞及動力反應(yīng)存在影響，選取了10.8，39.6，61.2，100.8 kg 炸藥當(dāng)量建立模型進(jìn)行了模擬，并與這4種炸藥當(dāng)量下有樓板的模型破壞結(jié)果進(jìn)行了比較.同樣當(dāng)量炸藥情況下有板和無板的框架破壞形式、破壞位置大致相同.梁的上下翼緣發(fā)生屈曲變形，上翼緣兩側(cè)皆以腹板為軸向上發(fā)生彎曲，下翼緣內(nèi)側(cè)部分向下彎曲，外側(cè)部分則在負(fù)壓的作用下向上彎曲.爆炸荷載開始作用在梁上時以豎直方向變形為主，隨著爆炸沖擊波的擴散，梁在水平方向發(fā)生彎曲，柱則受梁的拉力作用向框架內(nèi)部彎曲.但在相同炸藥當(dāng)量下有板的框架明顯比無板的框架損傷要大，尤其是梁柱節(jié)點部位更加明顯（見圖15），無板的節(jié)點處裂縫還沒有貫穿，而有板的節(jié)點上下翼緣連同鋼管都一同被拉裂.因為失去了部分鋼管的約束，有樓板的柱側(cè)向彎曲更大，內(nèi)側(cè)受壓損傷更嚴(yán)重，外側(cè)出現(xiàn)拉裂（見圖16）.

圖13 環(huán)板處速度時程曲線

圖14 梁下翼緣跨中位置最大切應(yīng)力時程曲線

圖15 100.8 kg炸藥下梁柱節(jié)點處破壞

圖16 100.8 kg炸藥下核心區(qū)混凝土破壞

由上文可知破壞的根源在于梁變形過大，所以重點比較了有樓板和無樓板時不同炸藥當(dāng)量環(huán)板處的Mises等效應(yīng)力（見圖17）及鋼梁跨中的水平位移（見圖18）.

圖17 環(huán)板處Mises等效應(yīng)力時程曲線

圖18 梁跨中水平位移時程曲線

圖17a、圖18a為10.8 kg當(dāng)量炸藥時框架構(gòu)件的反應(yīng)，此種工況下混凝土樓板沒有破壞，可以明顯看到混凝土樓板能夠約束鋼梁的彎曲變形，一定程度上控制了梁、柱的水平位移，從而減小了環(huán)板處的拉力，延緩了結(jié)構(gòu)的破壞，混凝土樓板對整個結(jié)構(gòu)起到了拉結(jié)的作用，使得結(jié)構(gòu)整體性更好.但是一旦當(dāng)板遭受到破壞時，如圖17b、圖18b，反而整體結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生更大的損傷以及位移變形，梁跨中水平位移峰值甚至能達(dá)到無板情況下的1.5倍左右，造成這種結(jié)果的原因可能是：①雖然混凝土板的存在能夠耗散爆炸沖擊波的能量，但是板一旦破壞，大部分沖擊波都將作用在梁上，使得梁的變形劇增.相反沒有板的話，大量沖擊波直接穿過框架頂部，消散在空氣中，并沒有作用到框架上.②樓板與鋼梁上翼緣存在著一定約束，當(dāng)樓板產(chǎn)生變形時，也會使鋼梁受拉產(chǎn)生很大的位移.但是從另一個角度來看，樓板的破壞可以快速地將沖擊波壓力釋放出去，這樣在一定程度上避免了沖擊波在結(jié)構(gòu)內(nèi)部進(jìn)行多次反射而對框架結(jié)構(gòu)主要受力構(gòu)件造成破壞.

5 結(jié)論

（1）爆炸荷載作用下，混凝土樓板主要受沖切破壞，沿著雙向塑性鉸線起拱，鋼梁則主要受彎，水平方向的變形遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于豎向的變形，上下翼緣產(chǎn)生很大的屈曲變形，混凝土柱受到由鋼梁傳遞過來的拉力向結(jié)構(gòu)內(nèi)部彎曲，梁柱節(jié)點處受拉破壞，鋼梁失去約束產(chǎn)生極大的變形導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體破壞.

（2）隨著炸藥當(dāng)量的增大，板出現(xiàn)沖切破壞，梁由彎曲破壞逐漸變?yōu)閺澢羟旭詈掀茐?，混凝土柱迎爆面開始出現(xiàn)沖切破壞，而背爆面也隨著柱彎曲的增大而出現(xiàn)拉壞.

（3）當(dāng)混凝土樓板沒有遭受破壞時，可以損耗爆炸沖擊波能量，約束梁、柱的水平方向變形，提高結(jié)構(gòu)的整體性.樓板破壞后，沖擊波壓力釋放到空氣中，一

（）（）定程度上避免了沖擊波在結(jié)構(gòu)內(nèi)部進(jìn)行多次反射而使結(jié)構(gòu)遭到更大的破壞.