爆炸荷載作用下鋼筋混凝土柱的動(dòng)力響應(yīng)及抗爆加固研究

李鵬飛，田超，趙耀輝，強(qiáng)霖

（1 淄博市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，山東淄博 255000；2 淄博市魯中勘察設(shè)計(jì)審查咨詢中心，山東淄博 255000；3 山東省物化探勘察院，山東濟(jì)南 250013）

0 引言

隨著工業(yè)化的發(fā)展，化工類廠房的功能需求呈現(xiàn)多樣化，對(duì)結(jié)構(gòu)抗爆設(shè)防提出了更高的要求?；S爆炸事件在世界范圍常有發(fā)生，爆炸產(chǎn)生沖擊波有作用力大、持續(xù)時(shí)間短、對(duì)建筑破壞大的特點(diǎn)。工業(yè)廠區(qū)內(nèi)發(fā)生爆炸主要會(huì)造成以下危害：爆炸致使豎向承重構(gòu)件破壞從而導(dǎo)致建筑物整體坍塌；沖擊波伴隨破碎玻璃、破碎砌塊的現(xiàn)象，對(duì)一定范圍內(nèi)的人員造成傷害；因爆炸而導(dǎo)致的伴隨性火災(zāi)則會(huì)導(dǎo)致人員大量傷亡[1]。為承受爆炸沖擊荷載以及解決結(jié)構(gòu)承載力下降問題，大量研究人員采用碳纖維布加固的方式[2-4]。

淄博某石化工業(yè)園內(nèi)某石化企業(yè)因生產(chǎn)工藝要求，廠房?jī)?nèi)的局部混凝土柱需驗(yàn)算爆炸沖擊荷載作用，并對(duì)不滿足設(shè)計(jì)要求的混凝土柱進(jìn)行加固。工業(yè)園廠區(qū)鳥瞰圖詳見圖1、需加固柱區(qū)域見圖2 陰影區(qū)。本文依托實(shí)際項(xiàng)目，截取受沖擊荷載作用的混凝土柱獨(dú)立建模，柱位置詳見圖2 中A 柱，模型輸入幾何參數(shù)、材料參數(shù)、邊界受力、邊界條件等。通過有限元軟件建模鋼筋混凝土柱不同碳纖維布加固模式（封閉纏繞粘貼、側(cè)面粘貼），分析柱受沖擊荷載作用下的應(yīng)力、應(yīng)變，并分析混凝土柱的破壞模式，為該項(xiàng)目混凝土柱加固設(shè)計(jì)提供一定的數(shù)據(jù)支持。

圖1 廠房效果鳥瞰圖

圖2 加固柱區(qū)域詳圖

1 模型的建立

構(gòu)件建模使用有限元軟件ANSYS，截取受沖擊荷載作用的混凝土柱，根據(jù)實(shí)際受力情況建立模型，構(gòu)件尺寸為600 mm×600 mm×4500 mm，縱筋為12Φ25，箍筋為Φ10@100/200?；炷林鶠? 節(jié)點(diǎn)的三維實(shí)體單元，鋼筋采用梁?jiǎn)卧ｄ摻?、混凝土柱不考慮界面滑移，兩種材料的連接使用共用節(jié)點(diǎn)，并對(duì)模型進(jìn)行合理的網(wǎng)格劃分，采用映射方式劃分網(wǎng)格以確保計(jì)算精確，網(wǎng)格尺寸為20 mm。鋼筋和混凝土的材料參數(shù)如表1、表2 所示，有限元模型建立及網(wǎng)格劃分如圖3 所示。

表1 鋼筋的材料參數(shù)

表2 混凝土的材料參數(shù)

圖3 有限元模型

獨(dú)立柱模型截面規(guī)整，獨(dú)立柱模型定義為兩端固接。根據(jù)結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件PKPM（V1.3）讀取該柱所受初始力標(biāo)準(zhǔn)值，將其輸入至獨(dú)立柱有限元模型。進(jìn)而在模型中增加爆炸產(chǎn)生的沖擊荷載，沖擊荷載實(shí)現(xiàn)方式為定義時(shí)間—荷載函數(shù)曲線，并作用于組元。影響構(gòu)件應(yīng)力應(yīng)變的關(guān)鍵變量為爆炸荷載峰值，其余因素可忽略[5]。爆炸產(chǎn)生的沖擊荷載曲線詳見圖4，曲線峰值為15.0 MPa，達(dá)峰用時(shí)0.008 s，荷載持續(xù)時(shí)長(zhǎng)1s。為避免構(gòu)件產(chǎn)生應(yīng)力集中，構(gòu)件兩側(cè)增設(shè)剛體，以減少分析時(shí)長(zhǎng)[6]。

圖4 柱側(cè)面的爆炸荷載曲線

2 數(shù)值模擬的結(jié)果及分析

取應(yīng)力、應(yīng)變較明顯的爆面中點(diǎn)為研究對(duì)象，該點(diǎn)位移時(shí)程曲線見圖5。通過分析時(shí)程曲線可知，當(dāng)構(gòu)件受沖擊荷載作用時(shí)，沖擊作用在0.008 s 時(shí)達(dá)峰，但位移未達(dá)峰。位移達(dá)峰存在滯后現(xiàn)象，在0.14 s 時(shí)位移達(dá)峰，此時(shí)對(duì)應(yīng)位移最大值為10.26 mm。產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因是構(gòu)件存在一定的彈性性能，當(dāng)沖擊作用消散后，構(gòu)件存在變形回復(fù)現(xiàn)象，最終構(gòu)件的塑性殘余變形約7.79 mm。 速度時(shí)程曲線見圖6。分析速度—時(shí)程曲線可知，構(gòu)件于0.080 1 s 達(dá)峰，峰值速度為28.9 m/s，達(dá)峰后迅速回落至0 m/s，并在相當(dāng)長(zhǎng)的持續(xù)時(shí)間內(nèi)構(gòu)件存在微小振動(dòng)現(xiàn)象。

圖5 柱中結(jié)點(diǎn)位移時(shí)程曲線

圖6 Z 方向的速度—時(shí)程曲線

構(gòu)件應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D分別見圖7、圖8。為使構(gòu)件變形較為明顯地展示，將圖中構(gòu)件變形放大10 倍。分析0.002 s 與0.013 s構(gòu)件應(yīng)變?cè)茍D可知，當(dāng)構(gòu)件受初始沖擊作用時(shí)，構(gòu)件應(yīng)力值較大且集中于兩端，該時(shí)段構(gòu)件以剪切變形為主。隨著沖擊波持續(xù)作用，構(gòu)件進(jìn)入彎曲變形階段，該時(shí)段構(gòu)件中部位移持續(xù)增大，截面受拉區(qū)域面積不斷增大，直至0.013 s 時(shí)，構(gòu)件中部的位移達(dá)到最大值。

圖7 0.002s 與0.013s 構(gòu)件應(yīng)變?cè)茍D

圖8 0.002s 與0.013s 構(gòu)件對(duì)比應(yīng)力云圖

進(jìn)而選取受拉區(qū)縱筋為研究對(duì)象，縱筋軸向應(yīng)力時(shí)程曲線見圖9，分析縱筋軸向應(yīng)力- 時(shí)程曲線可知，在爆炸沖擊作用下，0.13 s 時(shí)鋼筋應(yīng)力達(dá)到屈服承載力400 MPa，之后隨著沖擊波的持續(xù)減小，鋼筋應(yīng)力快速消散。

圖9 縱筋軸向應(yīng)力時(shí)程曲線

3 對(duì)構(gòu)件碳纖維布加固后的動(dòng)力響應(yīng)分析

3.1 加固方式

構(gòu)件抗爆加固設(shè)計(jì)采用的方式是粘貼碳纖維布，利用專用粘結(jié)劑將碳纖維布粘貼至構(gòu)件表面，并滿足規(guī)范中相關(guān)規(guī)定，從而起到提高構(gòu)件承載力的作用。該項(xiàng)目抗爆加固設(shè)計(jì)擬采用全截面圍貼、對(duì)面粘貼的方式，擬采用的構(gòu)件加固方案如圖10 所示。爆炸沖擊與加固作用面的空間關(guān)系如圖11 所示。加固材料性能參數(shù)如表3 所示。

表3 CFS 的材料性能參數(shù)

圖10 碳纖維布的粘貼方式

圖11 爆炸沖擊與加固作用面的空間關(guān)系

3.2 構(gòu)件加固后數(shù)值模擬的結(jié)果及分析

該項(xiàng)目抗爆加固設(shè)計(jì)擬采用全截面圍貼、對(duì)面粘貼對(duì)鋼筋混凝土柱加固，對(duì)柱子加固前和加固后的效果進(jìn)行對(duì)比。取爆炸荷載峰值為5 MPa、10 MPa、15 MPa，分析碳纖維布全截面圍貼加固、對(duì)面粘貼加固下混凝土柱的應(yīng)力、應(yīng)變曲線。

分析數(shù)據(jù)可知，若施加爆炸荷載峰值為5 MPa 時(shí)，采用全截面圍貼、對(duì)面粘貼方式加固的鋼筋混凝土柱位移較小，未產(chǎn)生明顯的應(yīng)變，其應(yīng)力、應(yīng)變較大部位主要集中于柱底。

若施加爆炸荷載峰值為10 MPa 時(shí)，采用全截面圍貼、對(duì)面粘貼方式加固的鋼筋混凝土柱位移有較明顯變化。荷載達(dá)峰時(shí)，全截面圍貼加固的混凝土柱位移為2.895 mm，碳纖維布最大應(yīng)力為1 063 MPa；對(duì)面粘貼加固的混凝土柱位移為4.793 mm，碳纖維布最大應(yīng)力為2 053 MPa。由上述分析可知，對(duì)面粘貼方式加固的鋼筋混凝土柱較全截面圍貼加固的鋼筋混凝土柱，位移增大了38.7%，碳纖維布應(yīng)力增大了51.5%。全截面圍貼加固可以有效減少構(gòu)件應(yīng)變，碳纖維布并未充分發(fā)揮其作用。

若施加爆炸荷載峰值為15 MPa 時(shí)，采用全截面圍貼、對(duì)面粘貼方式加固的鋼筋混凝土柱位移有明顯變化。荷載達(dá)峰時(shí)，全截面圍貼加固的混凝土柱位移為5.612 mm，碳纖維布最大應(yīng)力為2 763 MPa；對(duì)面粘貼加固的混凝土柱位移為8.632 mm，碳纖維布最大應(yīng)力為3 769 MPa。由上述分析可知，對(duì)面粘貼方式加固的鋼筋混凝土柱較全截面圍貼加固的鋼筋混凝土柱，位移增大了15.4%，碳纖維布應(yīng)力增大了36.4%。碳纖維布并未充分發(fā)揮其作用，整個(gè)構(gòu)件破壞現(xiàn)象較為嚴(yán)重。

采用全截面圍貼方式加固的鋼筋混凝土柱，柱子在全包碳纖維時(shí)，爆炸峰值荷載從10 MPa 增加到15 MPa，此時(shí)位移增大了2.717 mm，增大幅度為93.8%，而應(yīng)力增加了1 700 MPa，增大了2.6 倍。采用對(duì)面粘貼方式加固的鋼筋混凝土柱，爆炸峰值荷載從10 MPa 增加到15 MPa，位移增大了3.842 mm，增大幅度為80.2%，同時(shí)應(yīng)力增大了1 716 MPa，增大幅度為83.3%。

當(dāng)爆炸荷載峰值為15 MPa 時(shí)，采用對(duì)面粘貼方式加固的鋼筋混凝土柱碳纖維布已經(jīng)達(dá)到極限承載力，應(yīng)變?cè)龇^大，產(chǎn)生破壞現(xiàn)象較為嚴(yán)重。而采用全截面圍貼方式加固的鋼筋混凝土柱尚未達(dá)到應(yīng)力極限。對(duì)面粘貼方式加固的鋼筋混凝土柱整體破壞現(xiàn)象更明顯。

4 結(jié)論

使用有限元軟件對(duì)鋼筋混凝土柱在爆炸荷載作用下的破壞模式進(jìn)行分析。分析鋼筋混凝土柱不同方式碳纖維加固（封閉纏繞粘貼、側(cè)面粘貼）后的動(dòng)力響應(yīng)，通過對(duì)柱應(yīng)力應(yīng)變的分析表明：

1）構(gòu)件受初始沖擊作用時(shí)，應(yīng)力較大位置集中于兩端，該時(shí)段構(gòu)件以剪切變形為主。隨著沖擊波持續(xù)作用，構(gòu)件進(jìn)入彎曲變形階段，該時(shí)段構(gòu)件中部位移持續(xù)增大，截面受拉區(qū)域面積不斷增大；

2）對(duì)比全截面圍貼、對(duì)面粘貼對(duì)鋼筋混凝土柱的加固方式可知，全截面圍貼鋼筋混凝土柱加固承載能力明顯優(yōu)于對(duì)面粘貼。全截面圍貼加固鋼筋混凝土柱，此時(shí)碳纖維布作用同于柱內(nèi)縱向鋼筋，并可提供圍箍效應(yīng)，類似于柱內(nèi)受剪箍筋，故可明顯改善構(gòu)件的延性。