爆炸沖擊作用下的鋼管混凝土研究的論述

摘 要：本文首先對(duì)爆炸沖擊荷載發(fā)生的情況做一簡(jiǎn)單的介紹，論述了在爆炸沖擊荷載作用下的鋼管混凝土主要的研究方法，并對(duì)近些國(guó)內(nèi)的學(xué)者研究在爆炸沖擊荷載作用下的鋼管混凝土的科研成果進(jìn)行了總結(jié)，在截面形式的選擇、重點(diǎn)部位的加強(qiáng)（柱頭和柱腳）、折合距離和比例距離的設(shè)置等方面的作用均為工程實(shí)踐提供一定的科學(xué)指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：爆炸沖擊荷載;鋼管混凝土;ANSYS/LS-DYNA

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.22.079

1 引言

爆炸沖擊荷載對(duì)建筑物的影響雖非大概率事件，但在世界范圍內(nèi)也是存在的，尤其是恐怖主義活動(dòng)。例如，2001年的“911”事件，美國(guó)的雙子大樓遭受到爆炸沖擊荷載，導(dǎo)致建筑物的倒塌;其實(shí)在我們的日常生活中也有可能遭受到爆炸沖擊荷載，比如，煤氣泄漏致使建筑物損壞甚至倒塌，2008年大連的一家飯店煤氣爆炸將三層高的樓房化為烏有;隨著無人機(jī)的快速發(fā)展和低空汽車的開發(fā)研制，對(duì)于建筑物承受爆炸沖擊荷載存在更嚴(yán)峻的考驗(yàn)。因此，對(duì)于建筑物遭受爆炸沖擊荷載的研究受到更為廣泛的認(rèn)識(shí)。

鋼管混凝土具有良好的抗震和動(dòng)力性能，對(duì)建筑物提高承受爆炸沖擊荷載能力有著較好的作用，因此，本文根據(jù)相關(guān)的參考文獻(xiàn)歸納和總結(jié)鋼管混凝土在爆炸沖擊荷載作用下的主要研究方法和重要結(jié)論。

2 爆炸沖擊荷載作用下鋼管混凝土柱研究方法

2.1 試驗(yàn)法

試驗(yàn)法是科學(xué)研究最重要的手段之一，爆炸沖擊荷載作用下鋼管混凝土柱研究也不例外。由于爆炸沖擊荷載的復(fù)雜性，完全模擬實(shí)際的爆炸沖擊荷載是不現(xiàn)實(shí)的，比如，爆炸事故發(fā)生過程中受到結(jié)構(gòu)物的阻礙以及地面的反射作用，嚴(yán)格意義上的自由空氣爆炸情況是不存在的，因此我們采用試驗(yàn)法只能近似的模擬。在2012年何斌[1]以不同的含鋼率和不同藥量對(duì)9組簡(jiǎn)支鋼管混凝土柱進(jìn)行了抗暴試驗(yàn)研究，主要考察了爆炸空氣沖擊波壓力時(shí)間曲線、構(gòu)件跨中應(yīng)變時(shí)間曲線和構(gòu)件的最終撓度等參數(shù)對(duì)鋼管混凝土柱抗彎性能的影響。在2013年孫珊珊[2]進(jìn)行了3組鋼管混凝土柱的抗暴試驗(yàn)，主要對(duì)柱的迎爆面及背爆面的超壓時(shí)程曲線，自由場(chǎng)中的反射壓力時(shí)程曲線，振動(dòng)加速度等參數(shù)進(jìn)行了觀測(cè)。

2.2 有限元模擬法

爆炸沖擊荷載數(shù)值模擬的問題的核心是解決多流體介質(zhì)非線性動(dòng)力分析問題，根據(jù)坐標(biāo)不同主流的方法有Lagrange和Euler兩種。Lagrange法又稱拉格朗日法，它是將坐標(biāo)固結(jié)在物質(zhì)上，隨著物質(zhì)一起運(yùn)動(dòng)或變形，變形后材料的自由表面可以自動(dòng)被網(wǎng)格的邊界捕捉到，由于一個(gè)網(wǎng)格或單元始終對(duì)應(yīng)一塊物質(zhì)團(tuán)，所以在網(wǎng)格中不存在材料的流動(dòng)。Euler法又稱歐拉坐標(biāo)法，是將固定的空間坐標(biāo)系，固網(wǎng)格也是固定不變的，材料通過網(wǎng)格邊界流進(jìn)流出，可以用于分析觀測(cè)變形程度較大的問題。但是，采用固定的空間坐標(biāo)系難于跟蹤物質(zhì)的變形，只有很精確的網(wǎng)格才能捕捉到固體材料的變形響應(yīng)，但這將使數(shù)值分析的成本提高，尤其是用于分析應(yīng)變相對(duì)較小的問題時(shí)成本問題更為突出[3]。

Euler方法和Lagrange方法在處理不同問題上各有優(yōu)缺點(diǎn)，在解決流體-固體耦合問題時(shí)，需要將兩者的優(yōu)點(diǎn)緊密結(jié)合起來，這樣產(chǎn)生了ALE1（Arbitrary Lagrange-Euler）算法。ALE方法還可以解決固體大變形數(shù)值計(jì)算的難題，目前，該方法已經(jīng)成為分析大應(yīng)變問題的十分重要的數(shù)值分析方法。

ANSYS/LS-DYNA是以Lagrange為主，兼有ALE和Euler算法，可以較好對(duì)爆炸荷載進(jìn)行數(shù)值模擬，并且有較多的科研人員均采用此軟件對(duì)爆炸荷載進(jìn)行研究，例如，閻石（2011）[4]、黃拓（2012）[3]、吳賽（2013）[5]、孫宇（2015）[6]等均采用ANSYS/LS-DYNA對(duì)爆炸荷載作用下的鋼管混凝土進(jìn)行了抗暴性能的研究，得到較好的科研效果。

3 爆炸沖擊荷載作用下鋼管混凝土柱主要研究成果

利用以上兩種方法國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)爆炸沖擊荷載作用下鋼管混凝土柱的研究取得較多的科研成果，具體如下：

（1）含鋼率對(duì)于構(gòu)件抗暴能力影響并不大，而截面形狀和截面尺寸對(duì)其影響較大，并且圓鋼管混凝土抗暴能力要高于方鋼管混凝土。鋼管混凝土的抗暴能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鋼管的抗暴能力;

（2）爆炸荷載作用下，鋼管混凝土柱主要發(fā)生剪切破壞和彎曲破壞，主要分布特點(diǎn)是上下兩側(cè)（柱頭和柱腳）發(fā)生剪切破壞，中間發(fā)生彎曲破壞;

（3）內(nèi)置混凝土以受拉破壞為主;

（4）折合距離與鋼管混凝土柱的變形呈現(xiàn)反比例的關(guān)系，與鋼管和混凝土的破壞程度也成反比例關(guān)系;

（5）比例距離與柱中點(diǎn)的水平最大位移和殘余位移呈現(xiàn)反比例的關(guān)系。

4 結(jié)語

目前，爆炸沖擊荷載作用下的鋼管混凝土的研究方法已經(jīng)較為成熟，所取得的科研成果對(duì)工程實(shí)踐起到了一定的指導(dǎo)作用，在鋼管混凝土的截面形式的選擇、重點(diǎn)部位的加強(qiáng)（柱頭和柱腳）、折合距離和比例距離的設(shè)置等方面的作用尤為突出，為鋼管混凝土的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供重要的理論基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]何斌.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗爆炸沖擊荷載的特性研究[D].中北大學(xué)，2012.

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

[3]黃拓.爆炸沖擊荷載作用下鋼管混凝土柱性能研究[D].長(zhǎng)安大學(xué)，2012.

[4]閻石，劉蕾，齊寶欣，辛志強(qiáng)，李鵬.爆炸荷載作用下方鋼管混凝土柱的動(dòng)力響應(yīng)及破壞機(jī)理[J].防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào)，2011，31（05）：477-482.

[5]吳賽，趙均海，魏雪英，孫珊珊，張冬芳.爆炸荷載作用下復(fù)式鋼管混凝土柱的數(shù)值分析[J].工業(yè)建筑，2013，43（01）：112-117+135.

[6]孫宇，毛毳，杜欣新.爆炸荷載作用下方鋼管混凝土柱的動(dòng)力響應(yīng)分析[J].天津城建大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，21（04）：258-261+266.

作者簡(jiǎn)介：劉洋（1988-），男，黑龍江安達(dá)人，碩士，主要從事組合結(jié)構(gòu)的抗震方面研究。