內(nèi)爆作用下不同類型填充墻對(duì)RC框架結(jié)構(gòu)的影響

李 娟，叢培宇，劉 香，李 革，郭建圓

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)土木工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

近些年，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)爆炸荷載作用下鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)及抗連續(xù)性倒塌、爆炸荷載作用下墻體的動(dòng)力響應(yīng)及破壞模式，以及使用高性能材料對(duì)墻體進(jìn)行加固等方面進(jìn)行了廣泛的研究。但是對(duì)于爆炸荷載作用下普通砌塊填充墻和加固砌塊填充墻對(duì)RC框架結(jié)構(gòu)的影響以及采用泄爆填充墻的研究相對(duì)較少。實(shí)際的普通砌塊填充墻的框架結(jié)構(gòu)以及將填充墻體進(jìn)行加固并應(yīng)用在結(jié)構(gòu)中的框架結(jié)構(gòu)，在內(nèi)爆作用下由于填充墻體的存在可能會(huì)導(dǎo)致爆炸沖擊波被約束在一定的空間內(nèi)并進(jìn)行反射使爆炸產(chǎn)生的能量難以耗散，造成框架結(jié)構(gòu)可能會(huì)受到不同程度的沖擊作用，所以不同類型填充墻對(duì)框架結(jié)構(gòu)主體的影響不容忽視。本文介紹了利用ANSYS/LS-DYNA模擬分析2 層L型RC框架結(jié)構(gòu)在相同內(nèi)爆條件下分別設(shè)置普通混凝土砌塊填充墻、碳纖維布加固砌塊填充墻、加固泄爆組合填充墻時(shí)構(gòu)件損壞程度的過(guò)程，并據(jù)此研究?jī)?nèi)爆作用下不同類型填充墻對(duì)RC框架結(jié)構(gòu)的影響。這對(duì)減輕建筑物在爆炸荷載作用下的結(jié)構(gòu)破壞，減少人員傷亡及財(cái)產(chǎn)損失具有積極作用。

1 數(shù)值模擬方法驗(yàn)證

1.1 對(duì)比試驗(yàn)概況

依據(jù)文獻(xiàn)[1-2]介紹的爆炸荷載作用下結(jié)構(gòu)試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒?shù)值模擬模型。文獻(xiàn)[1]敘述的是框架結(jié)構(gòu)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，其尺寸為長(zhǎng)×寬×高=75 cm×60 cm×50 cm，采用200 g乳化炸藥，爆點(diǎn)高度為層間凈高的一半。文獻(xiàn)[2]介紹的是采用1/2縮比的砌塊填充墻模型，空心砌塊錯(cuò)縫砌筑于凈高150 cm、凈寬110 cm的鋼筋混凝土平面框架內(nèi)，框架梁、柱的截面尺寸為20 cm×20 cm，砌塊墻左右兩側(cè)與混凝土框架柱均保持5 cm的間距，墻體背部采用三層碳纖維布加固，每層厚度為0.016 7 cm，400 g的TNT炸藥位于砌塊填充墻正面的中心處。

1.2 材料模型、單元類型及算法

鋼筋混凝土與混凝土砌塊采用*MAT_BRITTLE_DAMAGE模型。這種復(fù)合材料模型能夠很好描述高應(yīng)變率條件下混凝土及砌體響應(yīng)問(wèn)題，而且材料定義中包含配筋率選項(xiàng)，可以方便定義鋼筋和混凝土材料屬性，適用于模擬鋼筋混凝土框架及砌體填充墻實(shí)體單元模型[3-5]。通過(guò)添加關(guān)鍵字*MAT_ADD_EROSION定義混凝土材料的失效應(yīng)變。碳纖維布用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC模擬。炸藥采用*HIGH_EXPLOSIVE_BURN模型，通過(guò)添加關(guān)鍵字*EOS_JWL來(lái)描述炸藥爆轟過(guò)程[6-7]?？諝獠捎?MAT_NULL模型以及線性多項(xiàng)式*EOS_LINEAR_POLYNOMIAL狀態(tài)方程描述。

本文討論的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)及混凝土砌塊填充墻使用3DSOLID八節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元，碳纖維布采用SHELL163單元。在數(shù)值模擬中，固體用Lagrange單元算法，空氣和炸藥采用單點(diǎn)ALE多物質(zhì)單元算法，SHELL163單元選擇Belytschko-Tsay單點(diǎn)積分的殼單元算法，通過(guò)*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID這一關(guān)鍵字實(shí)現(xiàn)流固耦合[8]。文獻(xiàn)中介紹的試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c本文建立的有限元模型分別如圖1～2所示。

圖1 文獻(xiàn)[1]中的試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c建立的對(duì)應(yīng)有限元模型Fig.1 The experimental model in literature [1] and the corresponding finite element model established

圖2 文獻(xiàn)[2]中的試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c建立的對(duì)應(yīng)有限元模型Fig.2 The experimental model in literature [2] and the corresponding finite element model established

1.3 模擬結(jié)果驗(yàn)證

文獻(xiàn)[1]中介紹的爆炸荷載作用下框架結(jié)構(gòu)破壞形態(tài)與本文數(shù)值模擬破壞形態(tài)對(duì)比如圖3所示，試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果中頂板和梁柱節(jié)點(diǎn)的破壞形態(tài)基本一致，梁板交界區(qū)域均呈現(xiàn)沖切開(kāi)裂破壞特征，頂板均呈現(xiàn)彎曲和沖切破壞，裂縫沿著板的塑性鉸線開(kāi)展(見(jiàn)圖3a、圖3b)；梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)域均為沖切破壞特征，同時(shí)伴隨有邊梁沿著弱軸外翻現(xiàn)象(見(jiàn)圖3c、圖3d)。

圖3 文獻(xiàn)[1]中試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比Fig.3 Comparison of experimental results and numerical simulation results in literature [1]

選擇文獻(xiàn)[1]中試驗(yàn)的P2測(cè)點(diǎn)的空氣超壓時(shí)程數(shù)據(jù)與本文數(shù)值模擬中對(duì)應(yīng)P2測(cè)點(diǎn)(見(jiàn)圖1b)的模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，P2測(cè)點(diǎn)的空氣超壓時(shí)程如圖4所示。文獻(xiàn)[1]中試驗(yàn)測(cè)得的P2測(cè)點(diǎn)首個(gè)壓力峰值為6.397 2 MPa，而數(shù)值模擬結(jié)果中P2測(cè)點(diǎn)首個(gè)壓力峰值為6.43 MPa，兩者誤差約0.5%。隨著時(shí)間的增加，試驗(yàn)和模擬中P2測(cè)點(diǎn)處的壓力都在減小并逐漸恢復(fù)到一個(gè)大氣壓下。數(shù)值模擬得到的P2測(cè)點(diǎn)空氣超壓時(shí)程與試驗(yàn)所得空氣超壓時(shí)程在超壓上升段及第二次峰值出現(xiàn)前，趨勢(shì)和數(shù)值差異很小。雖然兩段曲線在超壓下降后的平滑段存在一定的差異，但差異不大，且超壓第二峰值出現(xiàn)后，爆炸荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的損傷及破壞已形成，之后的超壓曲線平滑段的差異對(duì)結(jié)構(gòu)的損傷及破壞程度影響很小。

圖4 P2測(cè)點(diǎn)空氣壓力時(shí)間歷程Fig.4 P2 measuring point air pressure time history

文獻(xiàn)[2]中介紹的爆炸荷載作用下碳纖維布加固砌塊填充墻的破壞形態(tài)、破壞面積與本文數(shù)值模擬的破壞形態(tài)、破壞面積對(duì)比如圖5所示。文獻(xiàn)[2]試驗(yàn)和本文數(shù)值模擬中的碳纖維布加固砌塊填充墻正爆面靠近爆炸位置處都產(chǎn)生了局部破壞，試驗(yàn)砌塊填充墻正爆面產(chǎn)生高約30 cm、寬約25 cm的洞口，數(shù)值模擬結(jié)果中砌塊填充墻正爆面破壞洞口高約32 cm、寬約28 cm(見(jiàn)圖5a、圖5b)；在碳纖維布加固砌塊填充墻背爆面靠近爆心投影點(diǎn)附近的碳纖維布均發(fā)生水平和垂直方向的拉伸斷裂破壞，破壞區(qū)域均呈近似矩形狀，試驗(yàn)砌塊填充墻背爆面碳纖維布破壞區(qū)域高約15 cm，寬約15 cm，數(shù)值模擬結(jié)果中砌塊填充墻背爆面碳纖維布破壞區(qū)域高約17 cm、寬約13 cm(見(jiàn)圖5c、圖5d)。由此可見(jiàn)，本文數(shù)值模擬結(jié)果與文獻(xiàn)[2]中試驗(yàn)結(jié)果呈現(xiàn)的墻體破壞位置、形態(tài)基本一致，破壞區(qū)域面積相差約6.7%～13.3%。

圖5 文獻(xiàn)[2]中試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比Fig.5 Comparison of experimental results and numerical simulation results in literature [2]

通過(guò)文獻(xiàn)[1-2]中試驗(yàn)結(jié)果與本文模擬結(jié)果的對(duì)比，可以看出數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果在構(gòu)件破壞形態(tài)到具體數(shù)據(jù)都能保持基本一致且差距較小，說(shuō)明本文采用針對(duì)爆炸荷載作用下RC框架結(jié)構(gòu)及填充墻的數(shù)值模擬方法及參數(shù)選取是適用的、合理的。

2 RC框架結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬

2.1 算例模型

考慮到計(jì)算機(jī)性能以及計(jì)算效率問(wèn)題，從某實(shí)際建筑物中截取局部2 層L型RC框架結(jié)構(gòu)部分作為研究對(duì)象。該建筑物層高4.5 m，125 kg TNT炸藥在建筑內(nèi)部爆炸，建筑平面及炸藥平面位置如圖6a所示，三維模型如圖6b所示。其中，建筑物填充墻為300 mm厚混凝土砌塊填充墻，砌塊的強(qiáng)度為B06級(jí)，砌筑砂漿強(qiáng)度為M 5.0。樓板、梁、柱結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度均為C30。構(gòu)件配筋按照原設(shè)計(jì)設(shè)置。樓板厚為120 mm，柱子截面尺寸為600 mm×600 mm，①、③軸主梁尺寸為300 mm×1 000 mm，②軸主梁尺寸為350 mm×850 mm，A、B、C軸主梁尺寸為350 mm×850 mm。由于炸藥設(shè)置在建筑物二層，對(duì)底層墻體影響很小，故模型只建立了二層墻體。為了研究?jī)?nèi)爆作用下不同類型填充墻對(duì)RC框架結(jié)構(gòu)的影響，在該模型的基礎(chǔ)上改變填充墻類型，共形成3個(gè)算例模型。3個(gè)算例模型的填充墻類型如表1所示。

圖6 算例建筑設(shè)計(jì)尺寸及三維模型Fig.6 Architectural design size and three-dimensional model

表1 不同類型填充墻的RC框架結(jié)構(gòu)模型算例

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

利用LS-DYNA對(duì)以上3個(gè)算例在內(nèi)爆作用下的受力及損壞過(guò)程進(jìn)行模擬分析，并將計(jì)算所得數(shù)據(jù)用后處理軟件LS-PERPOST進(jìn)行可視化處理，分別得到3個(gè)算例在100 ms時(shí)的破壞形態(tài)。

內(nèi)爆作用下設(shè)置普通混凝土砌塊填充墻的RC框架結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖7)，炸藥所在位置頂板和底板四周首先發(fā)生沖切破壞，之后板中心產(chǎn)生指向四周的斜裂縫，并鼓起；隨著爆炸產(chǎn)生的沖擊波向外傳播，距起爆點(diǎn)較遠(yuǎn)的AB跨頂板底板下表面開(kāi)裂；③軸BC跨二層主梁跨中和梁柱節(jié)點(diǎn)處發(fā)生了破壞，表現(xiàn)出典型的彎剪破壞；③軸BC跨一層主梁與次梁節(jié)點(diǎn)處發(fā)生沖切破壞；③軸與C軸交匯處、②軸與B軸交匯處的二層框架柱柱底發(fā)生了破壞；其余RC框架梁、柱未發(fā)生破壞。

圖7 算例1破壞形態(tài)Fig.7 Failure mode of example 1

內(nèi)爆作用下全部墻體設(shè)置為碳纖維布加固砌塊填充墻的RC框架結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖8)，鋼砼樓板的破壞位置、形態(tài)與設(shè)置普通混凝土砌塊填充墻的RC框架結(jié)構(gòu)中鋼砼樓板的破壞位置、形態(tài)相似；③軸BC跨、C軸23 跨二層主梁在梁柱節(jié)點(diǎn)處發(fā)生早期直剪破壞；C軸23 跨一層主梁有外翻現(xiàn)象；②軸與B軸交匯處第二層框架柱柱頂發(fā)生了剪切破壞。

圖8 算例2破壞形態(tài)Fig.8 Failure mode of example 2

內(nèi)爆作用下設(shè)置加固泄爆組合填充墻的RC框架結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖9)，鋼砼樓板的破壞位置、形態(tài)與前兩者鋼砼樓板的破壞位置、形態(tài)相似；梁、柱以及梁柱節(jié)點(diǎn)均未發(fā)生破壞，只有部分構(gòu)件中部出現(xiàn)一些裂紋。

圖9 算例3破壞形態(tài)Fig.9 Failure mode of example 3

由圖7～圖9中3個(gè)算例模型的破壞形態(tài)可以看出，設(shè)置不同類型填充墻的RC框架結(jié)構(gòu)在內(nèi)爆作用下的梁、柱破壞情況有較大差異。設(shè)置普通混凝土砌塊填充墻和將砌塊填充墻全部進(jìn)行碳纖維布加固的兩組RC框架結(jié)構(gòu)的梁、柱損傷、破壞程度非常嚴(yán)重。采用加固泄爆組合填充墻的RC框架結(jié)構(gòu)與前兩者相比，梁、柱基本完好，構(gòu)件損傷程度最輕。

設(shè)置不同類型填充墻的RC框架結(jié)構(gòu)中框架主梁跨中外側(cè)面單元最大主應(yīng)變時(shí)間歷程如圖10所示，該單元位于③軸BC跨第二層主梁跨中外側(cè)面。其中，設(shè)置普通混凝土砌塊填充墻的RC框架結(jié)構(gòu)和設(shè)置碳纖維布加固砌塊填充墻的RC框架結(jié)構(gòu)中該單元的最大主應(yīng)變均在15 ms時(shí)發(fā)生較大向下突變，并于20 ms時(shí)趨近于0。這說(shuō)明在以上兩種結(jié)構(gòu)中，該梁早在20 ms時(shí)已發(fā)生嚴(yán)重破壞。而采用加固泄爆組合填充墻的RC框架結(jié)構(gòu)中該單元最大主應(yīng)變?cè)?0 ms時(shí)出現(xiàn)峰值，且在峰值前后一直處于波動(dòng)變化狀態(tài)，說(shuō)明該梁直到100 ms時(shí)仍未破壞。

圖10 框架梁跨中外側(cè)面單元的最大主應(yīng)變時(shí)間歷程Fig.10 Time history of the maximum principal strain of middle and outer side elements of the frame beam span

設(shè)置不同類型填充墻的RC框架結(jié)構(gòu)中框架柱底外側(cè)面單元最大主應(yīng)變時(shí)間歷程如圖11所示，該單元位于②軸與B軸交匯處第二層框架柱底外側(cè)面。3種設(shè)置不同填充墻的RC框架結(jié)構(gòu)中該柱單元最大主應(yīng)變?cè)?至75 ms之間一直持續(xù)增大；設(shè)置普通混凝土砌塊填充墻的RC框架結(jié)構(gòu)中該柱單元的最大主應(yīng)變?cè)?7 ms時(shí)突降為0，柱發(fā)生破壞；設(shè)置碳纖維布加固砌塊填充墻的RC框架結(jié)構(gòu)中該柱單元的最大主應(yīng)變?cè)?2 ms時(shí)突然大幅減小，并在很短的平穩(wěn)期后急速下降為0，柱發(fā)生破壞；采用加固泄爆組合填充墻的RC框架結(jié)構(gòu)中該柱單元最大主應(yīng)變?cè)?5 ms后一直在較高值范圍內(nèi)平穩(wěn)波動(dòng)變化，說(shuō)明該柱直到100 ms時(shí)仍未破壞。

圖11 框架柱底外側(cè)面單元的最大主應(yīng)變時(shí)間歷程Fig.11 Time history of the maximum principal strain of the outer side element of the frame column bottom

從以上梁、柱單元最大主應(yīng)變時(shí)間歷程對(duì)比可以看出，在內(nèi)爆作用下，采用加固泄爆組合填充墻的RC框架結(jié)構(gòu)中梁、柱的損壞程度遠(yuǎn)低于普通混凝土砌塊填充墻和碳纖維布加固砌塊填充墻的RC框架結(jié)構(gòu)，這是由于加固泄爆組合填充墻是由泡沫混凝土砌塊填充墻與碳纖維布加固砌塊填充墻兩部分墻體組成，內(nèi)爆作用下采用碳纖維布加固的砌塊填充墻產(chǎn)生的碎片不易飛濺，泡沫混凝土砌塊填充墻率先破碎，因此改善了沖擊波難以耗散的問(wèn)題，降低了大量碎片飛濺對(duì)人員造成的二次傷害以及財(cái)產(chǎn)的二次損害，同時(shí)減輕了RC框架主體結(jié)構(gòu)受到的爆炸沖擊作用。

3 結(jié)語(yǔ)

1)在一定爆炸當(dāng)量的內(nèi)爆作用下，設(shè)置不同類型填充墻的RC框架結(jié)構(gòu)中梁、柱發(fā)生損傷或破壞的位置、形式及程度有較大差異。填充墻類型對(duì)內(nèi)爆作用下多層RC框架結(jié)構(gòu)的影響不容忽視。因此，在對(duì)多層RC框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行防爆泄爆設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮填充墻類型對(duì)主要受力構(gòu)件受荷情況的影響。

2)從模型破壞形態(tài)圖和梁、柱單元最大主應(yīng)變對(duì)比中都可以看出，采用加固泄爆組合填充墻的RC框架結(jié)構(gòu)中梁、柱的損傷程度遠(yuǎn)低于普通混凝土砌塊填充墻和碳纖維布加固砌塊填充墻的RC框架結(jié)構(gòu)。設(shè)置加固泄爆組合填充墻可對(duì)減輕RC框架結(jié)構(gòu)破壞、保護(hù)人員和財(cái)產(chǎn)安全起到積極作用。

3)通過(guò)本文算例可以看出，由于受荷面大，即使是在梁、柱未發(fā)生破壞的前提下，鋼砼樓板也會(huì)發(fā)生較嚴(yán)重破壞。樓板的破壞仍可引起人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。在一定爆炸當(dāng)量下，如何有效減小樓板的損傷程度仍需進(jìn)行進(jìn)一步研究。