爆炸荷載作用下圓鋼管混凝土柱的損傷分析

(廣州大學(xué)土木工程學(xué)院 廣東 廣州 510000)

爆炸荷載作用下結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷程度評估是一個(gè)極其復(fù)雜的課題，迄今為止，結(jié)構(gòu)構(gòu)件在爆炸荷載作用下的損傷程度評估方面能夠?qū)嶋H應(yīng)用的成果仍為空白。在結(jié)構(gòu)構(gòu)件在爆炸荷載作用下的損傷程度評估領(lǐng)域比較認(rèn)可的研究方向是確定結(jié)構(gòu)構(gòu)件的壓力-沖量曲線，即P-I曲線[1]。一旦確定某個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的P-I曲線圖，即可運(yùn)用該P(yáng)-I曲線圖，準(zhǔn)確預(yù)測該構(gòu)件在任意爆炸荷載作用下可能的損傷程度。

一、確定P-I曲線的現(xiàn)有方法

(一)試驗(yàn)方法

試驗(yàn)方法是通過試驗(yàn)得到結(jié)構(gòu)構(gòu)件在一系列爆炸荷載作用下的損傷程度，將各個(gè)損傷程度對應(yīng)的爆炸荷載點(diǎn)繪制到P-I空間中，然后根據(jù)這些點(diǎn)通過曲線擬合方法得到某一特定損傷程度對應(yīng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的P-I曲線。

采用試驗(yàn)方法得到構(gòu)件的P-I曲線需要大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，而爆炸試驗(yàn)價(jià)格昂貴，因此試驗(yàn)方法往往較難實(shí)現(xiàn)。

(二)數(shù)值模擬方法

數(shù)值模擬方法是利用有限元動力分析軟件如ANSYS等準(zhǔn)確模擬結(jié)構(gòu)構(gòu)件在爆炸荷載下的動力響應(yīng)和損傷破壞。通過數(shù)值模擬方法，可以方便的得到構(gòu)件在不同爆炸荷載作用下的動力響應(yīng)和破壞形態(tài)以及損傷的相關(guān)數(shù)據(jù)，然后通過曲線擬合的方法得到構(gòu)件的P-I曲線。

(三)解析方法

解析方法是通過將結(jié)構(gòu)構(gòu)件簡化為單自由度體系，采用單自由度體系在爆炸荷載作用下的相關(guān)響應(yīng)作為結(jié)構(gòu)的損傷準(zhǔn)則，在此基礎(chǔ)上，計(jì)算單自由度體系在不同爆炸荷載下的響應(yīng)來確定構(gòu)件的P-I曲線。

二、損傷評估準(zhǔn)則

(一)爆炸沖擊波破壞準(zhǔn)則

針對爆炸沖擊波損傷破壞準(zhǔn)則主要有以下三種：超壓峰值準(zhǔn)則、沖量準(zhǔn)則和超壓—沖量準(zhǔn)則。

1.超壓峰值準(zhǔn)則

爆炸沖擊波對構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的破壞作用與其自振周期和沖擊波正壓作用時(shí)間有密切聯(lián)系，當(dāng)自振周期與正壓作用時(shí)間之比不小于10時(shí)，可以認(rèn)為爆炸沖擊波超壓達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，便會對結(jié)構(gòu)、構(gòu)件或人員造成某一程度的破壞及損失。超壓峰值準(zhǔn)則認(rèn)為爆炸沖擊波是否對目標(biāo)造成損傷由爆炸沖擊波超壓惟一決定的，即只有當(dāng)超壓大于某一臨界值時(shí)，才會對目標(biāo)造成一定的損傷。

2.沖量準(zhǔn)則

當(dāng)構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的正壓作用時(shí)間小于構(gòu)件或結(jié)構(gòu)自振周期的四分之一時(shí)，可以認(rèn)為沖擊波隨時(shí)間將正壓區(qū)范圍內(nèi)的超壓陸續(xù)作用到結(jié)構(gòu)或構(gòu)件上時(shí)，一直保持物體振動的方向和沖擊波超壓所施加的外力方向一致，所以沖擊波正壓區(qū)內(nèi)全部沖量均用在了加速物體的振動上，即目標(biāo)的破壞是靠沖擊波的沖量作用。

3.超壓—沖量準(zhǔn)則

超壓—沖量準(zhǔn)則綜合考慮了超壓和沖量的影響，如果超壓和沖量的共同滿足某一臨界條件，目標(biāo)就被破壞。在爆炸沖擊荷載作用下結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷程度評估領(lǐng)域中，比較認(rèn)可的研究方向是確定結(jié)構(gòu)構(gòu)件的壓力—沖量曲線，即P-I曲線。本文對鋼管混凝土柱的損傷評估準(zhǔn)則采取超壓—沖量準(zhǔn)則。

(二)損傷評估準(zhǔn)則

定義合理的損傷評估準(zhǔn)則是對結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行損傷程度評估的前提，故對結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行損傷程度評估，首先應(yīng)定義合理的破壞準(zhǔn)則。目前常用的鋼管混凝土柱的破壞準(zhǔn)則有柱中最大位移、最大應(yīng)力、最大應(yīng)變和殘余承載力等等。支座轉(zhuǎn)角是基于構(gòu)件峰值的變形，本文將其轉(zhuǎn)化為更易得到的柱中撓度來進(jìn)行損傷評估。

根據(jù)《石油化工控制室抗爆設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]，在爆炸荷載作用下，板的轉(zhuǎn)角允許值為，梁、柱、墻(受彎)的轉(zhuǎn)角允許值為。對于鋼管混凝土柱構(gòu)件，當(dāng)在爆炸荷載作用下支座最大轉(zhuǎn)角為時(shí)，認(rèn)為構(gòu)件產(chǎn)生了一定程度的損傷。

因此，對于高度為2500mm的鋼管混凝土柱，基于柱中側(cè)向最大撓度的損傷準(zhǔn)則可表述如下：，輕度損傷；，中度破壞；，重度破壞。

三、基于有限元ANSYS數(shù)值模擬方法的圓鋼管混凝土柱損傷評估

(一)建立P-I曲線的數(shù)值模擬方法

確定結(jié)構(gòu)P-I曲線的方法為在確定損傷準(zhǔn)則之后，通過大量的有限元數(shù)值模擬改變爆炸工況(炸藥當(dāng)量和爆炸距離)，使得鋼管混凝土柱的柱中撓度恰好為損傷程度等級所確定的數(shù)值，然后將爆炸荷載的超壓和沖量連同該爆炸荷載作用下結(jié)構(gòu)柱的損傷程度等級繪制到P-I空間里，將對應(yīng)相同損傷程度等級的爆炸荷載點(diǎn)用同一符號來表示，則這些點(diǎn)所形成的將P-I空間分成若干區(qū)域的曲線即為P-I曲線。

(二)爆炸荷載的施加

采用ANSYS/LS-DYNA有限元軟件進(jìn)行爆炸荷載的施加主要有三種方法，分別是通過曲線加載-三角形沖擊荷載法、通過LOAD_BLAST關(guān)鍵字定義爆炸荷載-CONWEP算法和直接模擬法，考慮到模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和計(jì)算效率，本文選擇CONWEP法進(jìn)行荷載的施加。

(三)鋼管混凝土柱P-I曲線建立

按照本文提出的損傷評估準(zhǔn)則，以建立的爆炸沖擊荷載下鋼管混凝土柱有限元模型為研究對象，進(jìn)行了大量的數(shù)值模擬試算，從模擬所得的數(shù)據(jù)點(diǎn)中找出損傷等級分界點(diǎn)(41.9mm、109.3mm)對應(yīng)的超壓沖量組合臨界值，將這些數(shù)據(jù)點(diǎn)繪制在P-I平面內(nèi)，得到鋼管混凝土損傷等級分界線，即P-I曲線。

將中個(gè)臨界點(diǎn)繪制在P-I空間中，即得到構(gòu)件的P-I曲線。通過大量數(shù)值模擬后得到P-I曲線的含義是：曲線將P-I空間劃分為三個(gè)部分，依據(jù)前文所述的破壞準(zhǔn)則，圖中Ⅰ區(qū)域?yàn)檩p度損傷，Ⅱ區(qū)域?yàn)橹卸葥p傷，Ⅲ區(qū)域?yàn)橹囟葥p傷。若P、I組合的數(shù)據(jù)點(diǎn)落在Ⅰ區(qū)域，則表明鋼管混凝土柱迎爆面中點(diǎn)撓度沒有超過41.9mm，該柱屬于輕度損傷；若P、I組合的數(shù)據(jù)點(diǎn)落在Ⅱ區(qū)域，則表明鋼管混凝土柱迎爆面中點(diǎn)撓度在41.9mm和109.3mm之間，該柱屬于中度破壞；若P、I組合的數(shù)據(jù)點(diǎn)落在Ⅲ區(qū)域，則表明鋼管混凝土柱迎爆面中點(diǎn)撓度超過109.3mm，該柱屬于重度破壞。若P、I組合的數(shù)據(jù)點(diǎn)落在恰巧落在兩條臨界線上，基于結(jié)構(gòu)安全考慮，該柱應(yīng)分別屬于中度破壞或重度破壞。試驗(yàn)柱構(gòu)件，超壓峰值為57.15MPa，沖量峰值為7.2MPa·ms，柱中最大撓度值為145.23mm，屬于重度破壞。

四、結(jié)論

基于ANSYS-LS-DYNA有限元軟件，采用數(shù)值模擬的方法得到了鋼管混凝土柱的P-I曲線，研究結(jié)果表明，采用LOAD_BLAST關(guān)鍵字定義爆炸荷載-CONWEP算法能夠有效的模擬鋼管混凝土柱在爆炸作用下的動力響應(yīng)，通過大量數(shù)值模擬試算得到了柱構(gòu)件的P-I曲線，評估分析可知試驗(yàn)構(gòu)件處于重度破壞狀態(tài)。