爆炸荷載作用下鋼筋混凝土板性能分析

王 毅（江西寧建投工程設(shè)計有限公司,江西 南昌 330029）

近年來，房屋建筑工程的數(shù)量得到快速發(fā)展，隨著各種先進技術(shù)及高性能需求，房屋建筑行業(yè)開始從數(shù)量逐漸轉(zhuǎn)向質(zhì)量要求。美國“911”事件造成的嚴(yán)重社會經(jīng)濟損失使土木行業(yè)工作者開始重視房屋建筑的抗爆破性能，研究者開始不斷研究新式的高性能混凝土材料[1,2]。由于鋼筋混凝土板具有價格便宜、施工便利、性能優(yōu)良等特點，被廣泛應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)中[3-5]。然而，在爆炸荷載作用下，鋼筋混凝土板容易出現(xiàn)破壞進而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)坍塌。因此，開展爆炸荷載作用下鋼筋混凝土板的動力響應(yīng)是十分必要的。

研究者已經(jīng)開展了大量爆炸荷載下鋼筋混凝土板力學(xué)響應(yīng)及損失特性方面的研究。何勇[6]等人基于數(shù)值仿真分析了比例距離對鋼筋混凝土板力學(xué)響應(yīng)及損傷特性的影響；孫加超[7]等利用有限元建立了細觀模型，獲取了鋼筋混凝土板的力學(xué)響應(yīng)和破壞特性；汪維[8]等人建立了方形鋼筋混凝土板仿真模型，分析爆炸距離對鋼筋混凝土板抗爆性能的影響，認(rèn)為非均布爆炸荷載作用下鋼筋混凝土板易發(fā)生局部沖切破壞；趙春風(fēng)[9]等人對縮尺鋼筋混凝土板進行抗爆試驗，提出了跨中撓度的計算方法。上述研究雖然表明鋼筋混凝土板的抗爆性能已經(jīng)有一定的研究基礎(chǔ)，但仍需要對單點接觸爆炸荷載作用下鋼筋混凝土板的力學(xué)響應(yīng)進行詳細的研究?；诖?，首先利用有限元建立了鋼筋混凝土板模型并進行了驗證，然后開展了單點接觸爆炸荷載作用下鋼筋混凝土板的壓力、位移、鋼筋應(yīng)力-時程響應(yīng)分析。以期為提升房屋工程的抗爆性能提供一定借鑒，對于建設(shè)高質(zhì)量工程具有十分重要的意義。

1 鋼筋混凝土板有限元模型建立

依據(jù)規(guī)范GB 50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[10]利用LS-DYNA 有限元軟件建立鋼筋混凝土板模型，其結(jié)構(gòu)尺寸長、寬、高分別為2000mm×2000mm×250mm，鋼筋的材料類型為HRB400，鋼筋混凝土板內(nèi)部的受力鋼筋和分布鋼筋直徑均為6mm，間距為75mm，配筋方式采用單層雙向配筋，混凝土等級為C40，鋼筋的保護層厚度為25mm，邊界條件為四周固支。在鋼筋混凝土板有限元模型建立的過程中，混凝土本構(gòu)模型采用Mat-72R3材料模型，鋼筋采用Mat-03的本構(gòu)模型，均考慮了應(yīng)變率效應(yīng)的影響。鋼筋和混凝土單元之間采用共節(jié)點連接，爆炸荷載采用多物質(zhì)流固耦合法進行施加[11-12]。

為分析接觸爆炸下沖擊波對鋼筋混凝土板的影響，以TNT 爆炸當(dāng)量0.1kg為初始爆炸當(dāng)量，以0.5kg逐步增加爆炸當(dāng)量，進而分析不同條件下鋼筋混凝土板的動力響應(yīng)狀態(tài)?；谏鲜鼋⒌挠邢拊Ｐ瓦M行鋼筋混凝土板力學(xué)響應(yīng)的模擬分析，將中心位移及層裂半徑的仿真值與試驗值進行對比，如圖1所示。從圖中可以看出，兩個指標(biāo)的測試值和仿真值相差不大，誤差僅僅約8%，證實了上述鋼筋混凝土板模型建立的準(zhǔn)確性。

圖1 鋼筋混凝土板測試及仿真值對比

首先，選取0.1kg、1.5kg、2.5kg的炸藥爆炸當(dāng)量進行力學(xué)響應(yīng)分析，鋼筋混凝土板的力學(xué)響應(yīng)與爆炸當(dāng)量存在顯著的相關(guān)性。當(dāng)爆炸當(dāng)量為0.1kg，鋼筋混凝土板迎爆面形成壓縮應(yīng)力波，其峰值超過混凝土抗壓強度，發(fā)生壓碎破壞但破壞面較小；背爆面混凝土受拉且未被破壞；當(dāng)爆炸當(dāng)量為1.5kg，鋼筋混凝土板迎爆面產(chǎn)生爆坑，背爆面的拉伸應(yīng)力波成倍增強，超過混凝土抗拉強度，導(dǎo)致剝落破壞的產(chǎn)生形成震塌坑，上下面的爆坑未形成聯(lián)通[13-14]；當(dāng)爆炸當(dāng)量為2.5kg，板迎爆面及背爆面均形成爆坑且上下聯(lián)通，板發(fā)生貫穿性破壞。通過上述的分析可知，當(dāng)爆炸當(dāng)量為1.5kg 時，鋼筋混凝土板的迎爆面及背爆面均形成了爆坑但未連通，因此后續(xù)開展該工況的分析，更利于解析爆炸沖擊波作用下板的力學(xué)響應(yīng)演變規(guī)律。

2 爆炸荷載作用下鋼筋混凝土板的力學(xué)分析

根據(jù)上述的仿真模型，以炸藥正下方為基準(zhǔn)點，每隔0.2m 取一個測點，分析爆炸荷載作用下鋼筋混凝土板的壓力-時程響應(yīng)曲線、位移-時程響應(yīng)曲線、鋼筋應(yīng)力-時程響應(yīng)曲線。

2.1 壓力-時程響應(yīng)曲線分析

測點1、測點2 及測點3 分別距離爆炸點0.2m、0.4m、0.6m，不同測點上方空氣的超壓時程曲線如圖2所示，從圖2 中可知，所有測點的超壓時程響應(yīng)曲線呈現(xiàn)正態(tài)分布的趨勢。距離爆炸點最近的測點1 的超壓峰值達到23.2MPa，當(dāng)距爆炸點距離越遠，測點2 及測點3的超壓峰值越來越小，分別為13.2MPa、5.2MPa。

圖2 不同測點上方空氣的超壓時程曲線

2.2 位移-時程響應(yīng)曲線分析

基于上述建立的鋼筋混凝土板仿真模型，對爆炸當(dāng)量1.5kg 下的鋼筋混凝土板迎爆面的豎向位移進行仿真模擬，鋼筋混凝土板的最大位移時程響應(yīng)曲線如圖3 所示。從圖中可知，整體上，鋼筋混凝土板迎爆面最大位移隨時間的增加呈現(xiàn)先增加后減小再增加的趨勢，表現(xiàn)為倒三角的形狀。鋼筋混凝土板的最大位移為9.5mm，此時的時間響應(yīng)為6s，當(dāng)位移到達最大峰值后，迎爆面的位移開始向上減小，這主要是由于爆炸沖擊波作用下鋼筋沒有屈服，表現(xiàn)受拉的狀態(tài)促使鋼筋混凝土板面出現(xiàn)回彈的行為。通過上述分析，整體上，起爆后，爆炸荷載快速傳遞至鋼筋混凝土板并迅速在板內(nèi)部傳播，導(dǎo)致板快速發(fā)生變形，當(dāng)達到最大位移后由于鋼筋的受拉行為使得鋼筋混凝土板的位移開始回彈變小，最后呈現(xiàn)中心對稱的倒三角分布形狀。

圖3 鋼筋混凝土板迎爆面的最大豎向位移時程響應(yīng)曲線

2.3 應(yīng)力-時程響應(yīng)曲線分析

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的荷載由鋼筋及混凝土材料共同分擔(dān)，混凝土主要承受抗壓性能，鋼筋主要分擔(dān)抗拉性能?；谏鲜鼋⒌匿摻罨炷涟宸抡婺Ｐ?，對爆炸當(dāng)量1.5kg 下的鋼筋混凝土板內(nèi)部的鋼筋應(yīng)力進行仿真模擬，鋼筋混凝土板內(nèi)部的鋼筋應(yīng)力-時程響應(yīng)曲線如圖4 所示。從圖中可以看出，炸藥爆炸后，在爆炸荷載的快速作用下，鋼筋混凝土板內(nèi)部的上層鋼筋呈現(xiàn)為受壓狀態(tài)，壓力值在0.5s 時快速達到峰值15×103Pa，隨后逐漸波動降至0；下層鋼筋處于受拉狀態(tài)，爆炸后拉應(yīng)力在1s時快速達到峰值6×103Pa，整體的波動浮動低于上層鋼筋，隨后波動消減至0。

圖4 鋼筋混凝土板內(nèi)部的鋼筋軸向應(yīng)力-時程響應(yīng)曲線

3 材料參數(shù)對鋼筋混凝土板的力學(xué)影響分析

基于上述建立的仿真模型，分析混凝土強度（30MPa、40MPa、50MPa、60MPa、70MPa）及鋼筋屈服強度（250MPa、350MPa、400MPa、500MPa）對鋼筋混凝土板內(nèi)部的最大位移的影響，計算結(jié)果如圖5所示。從圖5（a）中可以，爆炸荷載作用下鋼筋混凝土板內(nèi)部的最大位移與混凝土抗壓強度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，當(dāng)混凝土強度為30MPa 時，鋼筋混凝土板內(nèi)部的最大位移為11.3mm；當(dāng)混凝土強度為70MPa時，鋼筋混凝土板內(nèi)部的最大位移為6.3mm，降幅達到44.2%。從圖5（b）中可以，爆炸荷載作用下鋼筋混凝土板內(nèi)部的最大位移與鋼筋屈服強度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，當(dāng)鋼筋屈服強度為250MPa時，鋼筋混凝土板內(nèi)部的最大位移為9.7mm；當(dāng)鋼筋屈服強度為500MPa時，鋼筋混凝土板內(nèi)部的最大位移為8.1mm，降幅達到16.5%。

圖5 材料參數(shù)對鋼筋混凝土板內(nèi)部最大位移的影響分析

4 結(jié)語

（1）當(dāng)爆炸當(dāng)量為0.1kg，鋼筋混凝土板迎爆面發(fā)生壓碎破壞但破壞面較小；背爆面混凝土受拉且未被破壞。當(dāng)爆炸當(dāng)量為1.5kg，鋼筋混凝土板迎爆面產(chǎn)生爆坑，背爆面形成震塌坑，但上下面爆坑未形成聯(lián)通。當(dāng)爆炸當(dāng)量為2.5kg，板迎爆面及背爆面均形成爆坑且上下聯(lián)通，發(fā)生貫穿性破壞。

（2）所有測點的超壓時程響應(yīng)曲線呈現(xiàn)正態(tài)分布的趨勢；鋼筋混凝土板迎爆面最大位移隨時間的增加呈現(xiàn)先增加后減小再增加的趨勢，表現(xiàn)為倒三角的形狀；鋼筋混凝土板內(nèi)部的上層鋼筋呈現(xiàn)為受壓狀態(tài)，壓力值在0.5s時快速達到峰值15×103Pa；下層鋼筋處于受拉狀態(tài)，爆炸后拉應(yīng)力在1s時快速達到峰值6×103Pa。

（3）爆炸荷載作用下鋼筋混凝土板內(nèi)部的最大位移與混凝土抗壓強度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，當(dāng)混凝土強度從30MPa 增加至70MPa，鋼筋混凝土板內(nèi)部的最大位移從11.3mm 降至6.3mm，降幅為44.2%。爆炸荷載作用下鋼筋混凝土板內(nèi)部的最大位移與鋼筋屈服強度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，當(dāng)鋼筋屈服強度為250MPa 增至500MPa，鋼筋混凝土板內(nèi)部的最大位移從9.7mm 減小至8.1mm，降幅為16.5%。