泄爆區(qū)域設置對內(nèi)爆作用下RC框架結(jié)構(gòu)破壞的影響*

劉佳偉，李娟,2，龐學港，劉香，叢培宇

(1.內(nèi)蒙古科技大學 土木工程學院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.內(nèi)蒙古科技大學 智能建造與運維工程技術研究中心，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

內(nèi)爆作用下爆炸沖擊波對RC框架結(jié)構(gòu)建筑墻體會產(chǎn)生很大的沖擊并在墻體后形成環(huán)流超壓，可能造成建筑物較嚴重的破壞和人員較大的傷亡.近些年，國內(nèi)外學者通過試驗和數(shù)值模擬的方法對高性能材料加固墻體的動力響應和破壞模式[1,2]、爆炸沖擊波遇到擋墻時的傳播規(guī)律[3,4]和爆炸沖擊波繞過障礙物的環(huán)流情況[5-7]等方面進行了廣泛研究.但以上研究大多是針對單片墻體，沒有建立填充墻和RC框架結(jié)構(gòu)整體模型，無法考慮RC框架結(jié)構(gòu)中結(jié)構(gòu)構(gòu)件、維護構(gòu)件與爆炸沖擊波的相互影響.部分學者通過數(shù)值模擬的方法已經(jīng)證明設置加固泄爆組合墻體可以有效減輕內(nèi)爆作用下RC框架結(jié)構(gòu)的破壞程度[8]，但加固泄爆組合墻體泄爆區(qū)域會造成爆炸沖擊波傳播方式與結(jié)構(gòu)破壞形態(tài)的改變.所以采用數(shù)值模擬方法，利用ANSYS-LSDYNA有限元軟件建立2層L型帶有填充墻的RC框架結(jié)構(gòu)模型，對設置不同填充墻泄爆區(qū)域的多層RC框架結(jié)構(gòu)破壞形態(tài)和壓力時程曲線進行分析.研究不同加固泄爆組合墻體泄爆區(qū)域的設置對多層RC框架結(jié)構(gòu)內(nèi)爆沖擊波傳播方式的影響，從而為RC框架結(jié)構(gòu)的抗爆設計提供有益參考.

1 數(shù)值模擬方法驗證

1.1 對比試驗概況

依據(jù)文獻[9]中已有爆炸荷載作用下的結(jié)構(gòu)試驗進行數(shù)值模擬.文獻[9]所介紹的框架結(jié)構(gòu)試驗模型的L×w×h=750 mm×600 mm×500 mm；框架柱的截面尺寸均為75 mm×75 mm；框架梁的截面尺寸均為40 mm×80 mm；頂板厚30 mm；墻厚300 mm.炸藥采用50 g乳化炸藥，爆炸點設置于層間凈高一半的位置，試驗模型如圖1(a)所示.

1.2 材料模型、單元類型及算法

鋼筋和混凝土采用整體式建模，選擇材料模型的關鍵字為*MAT_BRITTLE_DAMAGE，該模型可以較好描述高應變率條件下混凝土和砌體的動力響應問題，適用于混凝土框架及砌體填充墻實體單元模型的模擬[10,11].碳纖維布、空氣和炸藥的材料模型、狀態(tài)方程、單元類型及單元算法見表1.混凝土材料的失效應變通過關鍵字*MAT_ADD_EROSION定義.流固耦合[12]通過關鍵字*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID來實現(xiàn).在空氣表面施加無反射邊界條件來避免邊界處沖擊波的反射對求解域的影響，同時可以模擬無限大空間.有限元模型如圖1(b)所示.

圖1 文獻中的試驗模型與對應的有限元模型(a)試驗模型；(b)有限元模型

1.3 數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果對比分析

數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果構(gòu)件破壞形態(tài)對比如圖2～4所示.由圖2～4可知，數(shù)值模擬的構(gòu)件破壞形態(tài)與試驗結(jié)果基本一致：頂板呈現(xiàn)彎曲和沖切破壞特征，裂縫沿著板的塑性鉸開展，并且存在起拱現(xiàn)象；梁柱交界處呈現(xiàn)剪切破壞，框架梁沿弱軸方向外翻；填充墻發(fā)生沖切破壞，混凝土呈碎裂狀，墻體被拋射出去.

圖2 頂板破壞形態(tài)對比圖(a)試驗結(jié)果；(b)數(shù)值模擬結(jié)果

圖3 梁柱節(jié)點破壞形態(tài)對比圖(a)試驗結(jié)果；(b)數(shù)值模擬結(jié)果

圖4 墻體破壞形態(tài)對比圖(a)試驗結(jié)果；(b)數(shù)值模擬結(jié)果

圖5為試驗與數(shù)值模擬中測點P的空氣超壓時程曲線對比圖.由圖可知，爆炸沖擊荷載在起爆后經(jīng)過0.2 ms達到峰值，壓力上升時間非常短暫.爆炸壓力持續(xù)時間也非常短暫，經(jīng)過幾個毫秒后，爆炸沖擊波逐漸消散，空氣壓力接近于1個大氣壓力.試驗所得P測點首個壓力峰值為3.787 MPa，數(shù)值模擬結(jié)果的壓力峰值為3.581 MPa，兩者相差約為5.4%.隨著時間的推移，在1.6 ms左右出現(xiàn)第二個波峰，試驗結(jié)果的第二個超壓峰值為0.632 MPa，數(shù)值模擬結(jié)果的第二個超壓峰值為0.753 MPa，兩者相差約為16.1%.在考慮沖擊波對結(jié)構(gòu)破壞程度的影響時以第一超壓峰值為主要判定依據(jù).數(shù)值模擬結(jié)果測點空氣超壓時程曲線與試驗所得空氣超壓時程曲線變化趨勢基本一致，且峰值點的差值較小，可以滿足分析內(nèi)爆作用下RC框架結(jié)構(gòu)破壞形態(tài)的精度要求.

表1 材料模型

圖5 測點P空氣超壓時程曲線對比圖

由數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果對比可知，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞形態(tài)基本吻合，測點位置空氣超壓時程曲線變化趨勢基本一致且超壓峰值點差值較小，故表明本次數(shù)值模擬的建模技術和參數(shù)選取是合理的.

2 RC框架結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬

2.1 模型概況

考慮到計算效率問題，從某實際建筑物中截取局部2層L型RC框架結(jié)構(gòu)，層高均為4.5 m，橫向和縱向均為2跨.125 kg TNT炸藥放置在建筑物二層角部房間，爆點高度為層間凈高的一半.RC框架結(jié)構(gòu)建筑平面、爆炸點位置、房間號和測點位置如圖6(a)所示，三維模型如圖6(b)所示.混凝土砌塊填充墻的內(nèi)、外墻厚度分別為200 mm，300 mm，砌塊的強度等級為B06級，砌筑砂漿強度為M5.0.各構(gòu)件尺寸、混凝土強度見表2.由于炸藥放置在建筑物二層，非炸藥所在層墻體存在與否對結(jié)構(gòu)破壞程度的影響較小，所以模型只建立二層墻體.

表2 構(gòu)件尺寸和砼強度

圖6 結(jié)構(gòu)計算模型(a)建筑平面圖及炸藥位置；(b)三維模型

2.2 內(nèi)墻洞口對爆炸沖擊波傳播和結(jié)構(gòu)破壞形態(tài)的影響研究

通過數(shù)值模擬計算，爆炸沖擊波在內(nèi)外墻全部設置普通混凝土砌塊墻的RC框架結(jié)構(gòu)(模型1)中傳播過程如圖7.由圖可知，1.993 ms時，爆炸沖擊波在房間1內(nèi)由爆炸源向四周擴散.13.194 ms時，爆炸沖擊波在內(nèi)墻洞口處形成射流，擴散到房間2；無洞口墻體阻擋了爆炸沖擊波的傳播，沒有擴散到房間3.18.194 ms時，爆炸沖擊波穿過內(nèi)墻洞口，在墻體后一段距離處匯聚并不斷擴大.40.199 ms時，爆炸沖擊波充滿房間2，并穿過房間2外側(cè)有洞口墻體向外擴散.由此可知，爆炸沖擊波在內(nèi)墻洞口處傳播方式發(fā)生改變形成射流，并快速擴散至房間2；無洞口內(nèi)墻阻擋了爆炸沖擊波的傳播，擴散至房間3的時間比擴散至房間2的時間長.

圖7 爆炸沖擊波的傳播(a)t=1.993 ms；(b)t=13.194 ms；(c)t=18.194 ms；(d)t=40.199 ms

通過數(shù)值模擬計算，模型1的破壞形態(tài)如圖8.通過圖8可以看出，房間1內(nèi)存在框架梁跨中和梁柱節(jié)點發(fā)生嚴重剪切破壞的現(xiàn)象，樓板完全破壞喪失承載能力.房間1兩面外墻與梁柱節(jié)點脫離，破壞和變形嚴重.由于射流作用，房間2中②軸與C軸交匯處柱底出現(xiàn)剪切破壞；①軸方向的外墻出現(xiàn)較大的水平和豎向裂縫，窗洞口周圍墻體破壞嚴重，出現(xiàn)較多墻體碎片可能造成人員傷亡.房間3內(nèi)結(jié)構(gòu)構(gòu)件無明顯破壞；A軸方向的外墻未破壞.由此可知，由于內(nèi)墻洞口的存在，爆炸沖擊波形成射流，造成房間2比房間3破壞嚴重；同時由于爆炸沖擊波在房間2、房間3傳播方式的不同，導致結(jié)構(gòu)構(gòu)件和維護構(gòu)件破壞形態(tài)有所不同.

圖8 模型1RC框架結(jié)構(gòu)破壞形態(tài)圖(a)結(jié)構(gòu)正立面；(b)結(jié)構(gòu)背立面

2.3 不同泄爆區(qū)域?qū)Y(jié)構(gòu)破壞形態(tài)的影響研究

已有學者證明加固泄爆組合墻體可以有效減輕爆炸沖擊波對結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞程度.但設置加固泄爆組合墻體泄爆區(qū)域會改變沖擊波的傳播方式，從而造成結(jié)構(gòu)破壞形態(tài)的改變，故在模型1的基礎上，將普通混凝土砌塊墻替換為加固泄爆組合墻體，并采用2種不同的泄爆區(qū)域設置方法，研究加固泄爆組合墻的設置對RC框架結(jié)構(gòu)破壞形態(tài)的影響.2種模型見表3.

圖9為炸藥所在房間兩面外墻2.4 m以上設置泄爆區(qū)域，其他部分墻體為進行碳纖維布加固的RC框架結(jié)構(gòu)破壞形態(tài)圖.二層②軸與B軸交匯處框架柱柱底發(fā)生剪切破壞，其他框架柱未發(fā)生破壞.②～③與C軸框架梁梁柱節(jié)點處發(fā)生剪切破壞，③軸與BC跨框架梁跨中發(fā)生輕微破壞.兩面外墻加固區(qū)域出現(xiàn)整體外移，有洞口內(nèi)墻對面房間2的外墻窗口四周出現(xiàn)裂縫，與普通混凝土砌塊填充墻模擬結(jié)果相比破壞程度明顯減輕.

表3 設置不同泄爆區(qū)域的模型

圖9 模型2RC框架結(jié)構(gòu)破壞形態(tài)圖(a)結(jié)構(gòu)正立面；(b)結(jié)構(gòu)背立面

圖10為炸藥所在房間有洞口內(nèi)墻及外墻2.4 m以上設置泄爆區(qū)域，其他部分墻體為進行碳纖維布加固的RC框架結(jié)構(gòu)破壞形態(tài)圖.一層②～③與C軸梁柱節(jié)點和③軸與BC跨框架梁跨中發(fā)生輕微剪切破壞，框架柱未發(fā)生剪切破壞，框架主體基本完好.相比于其他2種模型模擬結(jié)果，由于有洞口內(nèi)墻設置的泄爆區(qū)域與原有洞口連通，導致內(nèi)墻洞口處形成的射流對構(gòu)件的作用明顯減輕.

圖10 模型3RC框架結(jié)構(gòu)破壞形態(tài)圖(a)結(jié)構(gòu)正立面；(b)結(jié)構(gòu)背立面

2.4 RC框架結(jié)構(gòu)壓力時程曲線對比分析

在RC框架結(jié)構(gòu)模型中共提取A1，A2和A3，A44個測點，分別分析A1，A2所在房間內(nèi)部空氣壓力變化情況和A3，A4所在房間墻體背面環(huán)流超壓現(xiàn)象.其中測點A1，A2分別位于房間2、房間3中心位置，測點A3，A4分別位于房間1有洞口內(nèi)墻、無洞口內(nèi)墻墻體背面中心位置.見圖6(a).

2.4.1房間中心位置測點壓力時程曲線對比分析

圖11和12分別為RC框架結(jié)構(gòu)二層房間2、房間3中心位置測點壓力時程曲線圖.3種模型中爆炸沖擊波均在起爆后大約23 ms到達房間2中心位置，其中模型1峰值壓力最大，在27 ms后達到0.79 MPa；模型3的峰值壓力最小，在27 ms后達到0.64 MPa(見圖11).

圖11 房間2中心位置測點A1壓力時程曲線

圖12 房間3中心位置測點A2壓力時程曲線

模型1中爆炸沖擊波到達房間3中心位置時間最短需要54 ms，模型3時間最長需要70 ms；3種模型中房間3中間位置峰值壓力為0.08 ～0.12 MPa之間；房間2中心位置峰值壓力約為房間3的7倍，爆炸沖擊波到達房間3中心位置的時間約是房間2的2～3倍(見圖12).這是由于房間1與房間2之間為有洞口墻體，從而造成爆炸沖擊波的射流作用；而房間1與房間3之間有完整的內(nèi)墻阻擋了爆炸沖擊波的傳播.由此可知爆炸沖擊波射流作用對RC框架結(jié)構(gòu)的影響是不容忽視的，所以為了減輕爆炸沖擊波的射流作用對相鄰房間內(nèi)結(jié)構(gòu)構(gòu)件和人員財產(chǎn)的不利影響，在完整的內(nèi)墻上盡可能不設置泄爆區(qū)域.

2.4.2墻體中心位置測點壓力時程曲線對比分析

圖13～14分別為房間1內(nèi)墻背面中心位置測點A3，A4的壓力時程曲線圖.

圖13 房間1有洞口內(nèi)墻中心位置測點A3壓力時程曲線

圖14 房間1無洞口內(nèi)墻中心位置測點A4壓力時程曲線

通過圖13可以看出，模型1中有洞口內(nèi)墻背面中心位置環(huán)流超壓最大，且有多個峰值壓力出現(xiàn).模型2有洞口內(nèi)墻背面中心位置環(huán)流超壓明顯大于模型3的環(huán)流超壓.這是由于模型3在有洞口內(nèi)墻上設置的泄爆區(qū)域與已有洞口連通，造成墻體環(huán)流超壓降低，從而減小了爆炸沖擊波射流作用對房間2的影響.通過圖14可以看出，碳纖維布加固的無洞口內(nèi)墻比普通墻體承受更高的壓且持續(xù)時間更長.與墻體中心位置測點A3相比，測點A4到達環(huán)流超壓峰值時間短，且有多個峰值出現(xiàn).所以在對RC框架結(jié)構(gòu)進行加固泄爆組合墻體泄爆區(qū)域設置時，對完整的內(nèi)墻盡可能不設置泄爆區(qū)域.

3 結(jié)論

(1)RC框架結(jié)構(gòu)在內(nèi)爆作用下，爆炸沖擊波在內(nèi)墻洞口處形成的射流作用對結(jié)構(gòu)破壞范圍大，構(gòu)件破壞數(shù)量多，因此射流作用對RC框架結(jié)構(gòu)破壞程度的影響不容忽視.完整的內(nèi)墻可以阻擋沖擊波的傳播而減輕結(jié)構(gòu)的破壞程度，故在無洞口內(nèi)墻上盡量避免設置泄爆區(qū)域.

(2)加固泄爆組合墻體泄爆區(qū)域設置建議：多層RC框架結(jié)構(gòu)中設置加固泄爆組合墻體泄爆區(qū)域時，泄爆區(qū)域首先選擇設置在外墻；若外墻泄爆區(qū)域不能滿足泄爆要求，優(yōu)先選擇有洞口內(nèi)墻，內(nèi)墻泄爆區(qū)域應設置在墻體上部，且與已有洞口相連通；若3面墻體設置泄爆區(qū)域尚不滿足泄爆要求，對無洞口內(nèi)墻設置泄爆區(qū)域，位置應在墻體上部且不低于2 m，水平貫通時避免形成局部小洞口而造成射流，確保相鄰房間人員安全.