爆炸荷載作用下混凝土框架結(jié)構(gòu)的倒塌破壞研究

王國慧

（蕪湖市建昌工程質(zhì)量檢測中心有限公司，安徽 蕪湖 241000）

引言

連續(xù)倒塌是指關(guān)鍵結(jié)構(gòu)構(gòu)件在爆炸、撞擊等突發(fā)作用下發(fā)生破壞并向其他構(gòu)件擴(kuò)展，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的大范圍破壞或者整體倒塌的現(xiàn)象。1995 年俄克拉何馬州發(fā)生了一起汽車爆炸事故，造成政府大樓底層柱發(fā)生破壞，引發(fā)上層結(jié)構(gòu)接連失效，最終導(dǎo)致建筑迎爆面發(fā)生大面積連續(xù)倒塌[1]。2001 年紐約世貿(mào)中心雙子塔遭到了飛機(jī)撞擊導(dǎo)致建筑物的大規(guī)模倒塌[2]。發(fā)生事故時(shí)由于意外爆炸或沖擊載荷而破壞建筑物的關(guān)鍵部件，引發(fā)建筑結(jié)構(gòu)局部甚至整體性倒塌，危害了人們的生命安全。該類型事故對(duì)建筑物造成大規(guī)模倒塌破壞，由此引起了國內(nèi)外工程師們的關(guān)注。James T.Baylot[3]等通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)炸藥在結(jié)構(gòu)柱附近引爆時(shí)，非結(jié)構(gòu)外墻的存在會(huì)影響結(jié)構(gòu)柱上的載荷，模擬結(jié)果表明雖然外墻很快就失效了，但它仍然影響柱子上的載荷和結(jié)構(gòu)的壓力。Hao[4]等將靜態(tài)凝聚納入有限元模型的一種新的數(shù)值方法中, 通過數(shù)值模擬的方式研究了一6 層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在爆炸荷載作用下的破壞情形，進(jìn)而檢驗(yàn)其方法的可行性。Tonatiuh Rodriguez-Nikl[5]等研究發(fā)現(xiàn)防止結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌的措施包括保護(hù)柱等關(guān)鍵元件。進(jìn)行了九項(xiàng)測試來評(píng)估典型柱的竣工性能以及碳纖維護(hù)套在提高其性能方面的有效性。測量了載荷-撓度曲線，觀察到破壞模式從脆性剪切轉(zhuǎn)變?yōu)檠有詮澢?，并增加了柱的?fù)載和位移能力。何慶鋒[6]等對(duì)鋼筋混凝土柱爆炸時(shí)動(dòng)力結(jié)構(gòu)響應(yīng)和斷裂形態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬，研究表明：塑性變形區(qū)和彈性變形區(qū)分別建模并采用整體模型，保證了數(shù)值模擬在鋼筋混凝土柱爆破過程中的真實(shí)性和適用性。Tonatiuh Rodriguez Nikl[7]等模擬鋼筋混凝土構(gòu)件在炸藥試驗(yàn)情況下，其發(fā)生斷裂的破壞形態(tài)。賈明明[8]等考慮產(chǎn)生破壞的不確定因素，其中包括活荷載以及鋼筋混凝土的參數(shù)等。采用改進(jìn)的拉丁超立方體抽樣方法，根據(jù)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)收縮柱的工作條件，對(duì)鋼筋混凝土填充墻體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了脆弱性分析。王少杰[9]等分別研究了鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)在拆除中心柱、側(cè)柱、側(cè)柱和內(nèi)柱條件下的連續(xù)倒塌靜力強(qiáng)度。

從上述文獻(xiàn)中，大致總結(jié)出來在目前倒塌領(lǐng)域研究分析的兩種方法。一種是交替?zhèn)髁β窂椒?，又稱拆除構(gòu)件法，即從去除結(jié)構(gòu)的重要構(gòu)件開始，然后對(duì)可產(chǎn)生連續(xù)倒塌進(jìn)行模擬分析。雖然拆卸方法的特點(diǎn)是分析過程簡單，它只考慮關(guān)鍵部件的移除，而不考慮其失效的原因，并存在一些缺陷;另一種方法是直接模擬法，或者稱之為直接動(dòng)力法，它考慮了結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌的原因。直接模擬法模擬了爆炸爆轟使構(gòu)件之間產(chǎn)生相互作用，進(jìn)而導(dǎo)致建筑物發(fā)生破壞甚至出現(xiàn)連續(xù)倒塌現(xiàn)象。通過放置爆炸點(diǎn)，將其在實(shí)際生活中可能發(fā)生的爆炸事故情景再現(xiàn)。因此，相對(duì)而言直接動(dòng)力法在模擬爆炸、沖擊或地震引起的建筑結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌時(shí)更加準(zhǔn)確可靠。

本研究采用直接模擬法對(duì)爆炸荷載下的3 層框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值分析，基于ANSYS/LS-DYNA 有限元軟件，根據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況建立了該建筑的實(shí)體模型。我們將模擬爆炸的傳播過程，分析結(jié)構(gòu)在不同爆炸當(dāng)量下的破壞方式和連續(xù)倒塌機(jī)理，并探究導(dǎo)致結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌的爆炸載荷范圍。

1 模型建立

1.1 結(jié)構(gòu)模型

該結(jié)構(gòu)總高9.0 m，x、y 方向各兩跨，跨度為4.0 m。梁、板、柱構(gòu)件均采用鋼筋混凝土材料，其中混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，柱上有4 根縱向鋼筋，梁上有4 根縱向鋼筋。樓板厚為100 mm。選取梁板柱構(gòu)件的鋼筋參數(shù)，見表1。柱的截面為0.3 m ×0.3 m，梁的截面為0.2 m ×0.3 m，樓板截面為4 m×4 m?；炷痢摻畈牧细鲄?shù)，見表2。

表1 梁板柱構(gòu)件鋼筋參數(shù)

表2 混凝土和鋼筋材料參數(shù)

利用大型有限元通用軟件ANSYS/LS-DYNA 建立結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型，對(duì)鋼筋混凝土梁、柱、樓板和鋼筋逐一建模，使得計(jì)算模型更為準(zhǔn)確。在結(jié)構(gòu)的三維有限元模型中，分別將混凝土和鋼筋設(shè)置為Solid 164 實(shí)體單元和Beam 161 梁單元并進(jìn)行模擬。地面采用Shell 163 殼單元，視其為沒有彈性的剛性體構(gòu)件。y軸第一跨度的柱、梁、樓板和地板構(gòu)件的尺寸為50 mm, y 軸第二跨度的樓板構(gòu)件的尺寸為100 mm。通過軟件建立了結(jié)構(gòu)的有限元計(jì)算模型，見圖1。

圖1 有限元計(jì)算模型

1.2 材料模型

用MAT_CONCRETE_DAMAGE 模擬分離建模區(qū)域的混凝土， 混凝土材料的失效應(yīng)變用MAT_ADD_EROSION 進(jìn)行模擬。 地面使用MAT_RIGID 模型模擬。鋼筋采用 MAT_PLASTIC_KINEMATIC 彈塑性材料模型進(jìn)行數(shù)值模擬。采用CONTACT_AU_TOMAATIC_SINGLE_SURFACE 接觸分析模型模擬鋼筋混凝土構(gòu)件與剛性地面的相互作用。

1.3 施加爆炸荷載

在ANSYS/LS-DYNA 中，爆炸加載應(yīng)用程序提供內(nèi) 置 關(guān) 鍵 字 *LOAD_BLAST_ENHANCED 和*LOAD_BLAST_SEGMENT。兩者的結(jié)合允許根據(jù)TNT當(dāng)量和與目標(biāo)的距離自動(dòng)將TNT 轉(zhuǎn)換為單位表面的動(dòng)態(tài)載荷，然后模擬爆炸的影響。在施加爆炸荷載的時(shí)候，只考慮爆炸荷載對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件造成破壞，連續(xù)倒塌也是在關(guān)鍵構(gòu)件破壞的基礎(chǔ)上衍生的現(xiàn)象。

施加爆炸荷載之前，首先在80 ms 內(nèi)將自重和活荷載逐漸施加在結(jié)構(gòu)構(gòu)件上，通過這種方式使結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)。在t=80 ms 的瞬間對(duì)結(jié)構(gòu)施加爆炸載荷，控制運(yùn)算時(shí)程為1 000 mm,探究結(jié)構(gòu)整個(gè)連續(xù)坍塌的過程。假定炸藥位于中柱Z2 y 軸負(fù)向3 m，離地面高度2 m 位置處。炸藥用量分別為150 kg、200 kg 和250 kg。

2 結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌分析

2.1 數(shù)值模擬圖像分析

對(duì)于150 kg 的TNT，框架沒有發(fā)生明顯的損壞。在150 kg TNT 爆炸作用下，框架梁和柱的應(yīng)力一般處于彈性極限，接著進(jìn)入塑性狀態(tài)。底層框架柱Z2 發(fā)生較大的塑性變形，結(jié)構(gòu)柱在爆炸后仍然能抵抗上層建筑的垂直力，見圖2。

圖2 150 kg TNT 爆炸發(fā)生1000 ms 后結(jié)構(gòu)有效塑性應(yīng)變分布云圖

對(duì)于200 kg 的TNT，框架產(chǎn)生局部破壞。研究發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)主要是一層框架的梁產(chǎn)生破壞，但框架結(jié)構(gòu)并沒有發(fā)生坍塌。中間的縱梁受到扭轉(zhuǎn)作用，導(dǎo)致它所附著的梁出現(xiàn)下垂，并且在框架的下部可以觀察到局部拉伸斷裂現(xiàn)象，見圖3。

圖3 200 kg TNT 爆炸發(fā)生1 000 ms 后結(jié)構(gòu)有效塑性應(yīng)變分布云圖

對(duì)于250 kg 的TNT，可以發(fā)現(xiàn)框架結(jié)構(gòu)在之前發(fā)生局部破壞的基礎(chǔ)上柱子連接處發(fā)生斷裂，混凝土樓板與柱連接端發(fā)生剝離，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)局部倒塌現(xiàn)象，見圖4。

圖4 250kg TNT 爆炸發(fā)生1000 ms 后結(jié)構(gòu)有效塑性應(yīng)變分布云圖

上述分析結(jié)果表明: 整體框架結(jié)構(gòu)具有良好的防爆性能，能承受200 kg 及以下TNT 當(dāng)量的外部爆炸攻擊。然而，當(dāng)超過200 kg TNT 的爆炸時(shí)，結(jié)構(gòu)發(fā)生局部破壞，甚至產(chǎn)生連續(xù)倒塌的現(xiàn)象。

當(dāng)爆炸量為250 kg 時(shí)，爆炸發(fā)生后在典型代表時(shí)刻（120 ms、400 ms、700 ms 和1 000 ms）相關(guān)結(jié)構(gòu)的倒塌情況云圖，見圖5。在圖中可以觀察到關(guān)鍵柱子及相鄰構(gòu)筑物的破壞和崩塌過程。一是上層柱子的底部和屋頂在爆炸荷載的作用下發(fā)生剪切破壞; 在重力作用下上層建筑會(huì)向下移動(dòng)，各層樓板在爆炸的荷載和重力作用下會(huì)脫落。隨后，連接各層支柱的橫梁在軸向壓力下造成嚴(yán)重破壞。最后，由于柱子失去承載力，上層建筑倒塌，其周圍的一些梁和板也隨之破壞，導(dǎo)致柱子的混凝土斷裂，鋼筋彎曲，結(jié)構(gòu)發(fā)生局部連續(xù)倒塌現(xiàn)象。

圖5 250 kg TNT 爆炸作用下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)不同時(shí)刻連續(xù)倒塌示意圖

2.2 首層柱頂數(shù)值分析

在整個(gè)爆炸模擬過程中，由于柱所受的爆炸載荷總是與其內(nèi)力的變化相同，因此柱的位移和速度也是同步的。從圖中可以看出，結(jié)構(gòu)在80 ms 時(shí)間內(nèi)處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)，當(dāng)爆炸當(dāng)量在150 kg 時(shí)，其關(guān)鍵柱Z2的首層柱頂處y 向水平速度以及y 向水平位移在0 附近上下出現(xiàn)微小浮動(dòng)，因?yàn)榇藭r(shí)該柱遭受爆炸影響較小。當(dāng)爆炸當(dāng)量在200 kg 時(shí)，發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵柱Z2 的首層柱頂處y 向水平速度與位移在700 ms 范圍內(nèi)并沒有發(fā)生明顯變化，在700 ms～1 000 ms 之間，速度與位移稍幅上漲。當(dāng)爆炸當(dāng)量在250 kg 時(shí)，發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵柱Z2的首層柱頂處y 向水平速度與位移在500 ms 范圍內(nèi)并沒有產(chǎn)生明顯變化，在500 ms～1 000 ms 之間，速度與位移指數(shù)式急劇上升，速度和位移峰值分別為1.5 mm·ms-1和360 mm，可以初步判斷該爆炸藥量已導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯破壞甚至倒塌。通過數(shù)據(jù)分析處理得到Z2 首層柱頂水平y(tǒng) 向位移與速度的時(shí)程曲線，見圖6。

圖6 首層柱頂?shù)膟 向水平速度與位移時(shí)程曲線

結(jié)構(gòu)首先經(jīng)歷80 ms 的靜力平衡狀態(tài)，在80 ms開始爆炸發(fā)生后即開始發(fā)生豎向位移。在三種爆炸當(dāng)量情況下，爆炸發(fā)生的30 ms 內(nèi)，關(guān)鍵柱Z2 首層柱頂速度急速加劇，達(dá)到各自的速度峰值，然后迅速回落。由圖可知，當(dāng)TNT 取值為150 kg 時(shí)，雖說結(jié)構(gòu)在爆炸瞬間速度達(dá)到0.8 mm/ms-1，之后速度急速回落，250 ms 時(shí)刻稍有波動(dòng)，在之后的時(shí)程當(dāng)中速度相對(duì)穩(wěn)定一直保持在0 附近小范圍浮動(dòng)，其豎向位移也只產(chǎn)生小變化，該柱遭受爆炸較小，沒有發(fā)生明顯的破壞，足以支撐上部結(jié)構(gòu)，在整個(gè)爆炸時(shí)程中，結(jié)構(gòu)依然保持穩(wěn)定，處于安全狀態(tài)。當(dāng)TNT 取值為200 kg 時(shí)，爆炸發(fā)生的30 ms 內(nèi)，關(guān)鍵柱Z2 首層柱頂速度急速加劇，達(dá)到峰值速度1.4 mm/ms-1，隨即速度急速回落，在300 ms 時(shí)刻，又出現(xiàn)了速度上升的階段，一直達(dá)到2.2 mm/ms-1，此時(shí)Z2 柱端與柱腳混凝土產(chǎn)生局部壓潰，由此引發(fā)上層結(jié)構(gòu)在重力荷載的作用下產(chǎn)生豎向位移，但是并不影響結(jié)構(gòu)的安全性能，依然能夠繼續(xù)為上層構(gòu)件提供一定的支撐力。當(dāng)TNT 取值為250 kg 時(shí)，爆炸發(fā)生的30 ms 內(nèi)，關(guān)鍵柱Z2 首層柱頂速度急速加劇，達(dá)到峰值速度1.7 mm/ms-1，隨即速度急速回落，在300 ms 時(shí)刻，又出現(xiàn)了速度上升的階段，一直達(dá)到3.3 mm/ms-1，其豎向位移一直呈指數(shù)式形式增加，整個(gè)模擬過程中達(dá)到位移峰值1 600 mm，其底部的混凝土發(fā)生破壞，上部結(jié)構(gòu)發(fā)生連續(xù)倒塌。通過數(shù)據(jù)分析處理得Z2 柱首層柱頂豎向速度和豎向位移時(shí)程曲線，見圖7。

通過比較圖6 與圖7 中不同TNT 當(dāng)量對(duì)應(yīng)的速度與位移時(shí)程曲線，可知在爆炸當(dāng)量控制為200 kg時(shí)，爆炸荷載開始時(shí)首層柱頂產(chǎn)生的y 向與豎向位移較小，結(jié)構(gòu)并沒有外部爆炸荷載作用產(chǎn)生連續(xù)倒塌現(xiàn)象。通過進(jìn)一步增加TNT 當(dāng)量為250 kg 時(shí)，解讀數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)在接近1 000 mm 時(shí)刻首層柱頂y 向和豎向速度一直處于攀升狀態(tài)，并且沒有減緩的跡象，同步產(chǎn)生的位移也不斷增加。由此可知此時(shí)底層中柱已產(chǎn)生大規(guī)模破壞，帶動(dòng)整體結(jié)構(gòu)發(fā)生連續(xù)倒塌的現(xiàn)象。

圖7 首層柱頂?shù)呢Q向速度與位移時(shí)程曲線

3 結(jié)論

本研究采用直接模擬法對(duì)爆炸荷載作用下某3層混凝土框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，探討了不同爆炸當(dāng)量下結(jié)構(gòu)的狀態(tài)，得到如下結(jié)論。

（1） 采用直接動(dòng)力法分析了爆炸荷載作用下建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生連續(xù)倒塌情況，使用ANSYS/LS-DYNA 對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行爆炸仿真模擬，不僅保證了其計(jì)算精度，并且大幅度提高計(jì)算效率，在建模與后期數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)起到了至關(guān)重要的作用。

（2） 在模擬爆炸情況下，通過改變TNT 炸藥量可以產(chǎn)生不一樣的預(yù)期效果，在發(fā)生200 kg TNT 當(dāng)量及以下規(guī)模的爆炸時(shí)，關(guān)鍵柱沒有發(fā)生破壞，主體結(jié)構(gòu)仍然能夠保證其在可控范圍內(nèi)的安全性；在發(fā)生200 kg TNT 當(dāng)量以上規(guī)模爆炸時(shí)，關(guān)鍵柱產(chǎn)生破壞，隨之周圍梁柱樓板構(gòu)件在爆破荷載作用發(fā)生塌落局部破壞，最后發(fā)生連續(xù)倒塌現(xiàn)象。