爆炸荷載作用下鋼筋混凝土梁的破壞模式研究

向 強 (西南科技大學土木工程與建筑學院，四川 綿陽 621010)

劉 彤 (西南科技大學土木工程與建筑學院，四川 綿陽 621010 中國工程物理研究院研究生部，四川 綿陽 621900)

王汝恒 (西南科技大學土木工程與建筑學院，四川 綿陽 621010)

爆炸荷載作用下鋼筋混凝土梁的破壞模式研究

向 強 (西南科技大學土木工程與建筑學院，四川 綿陽 621010)

劉 彤 (西南科技大學土木工程與建筑學院，四川 綿陽 621010 中國工程物理研究院研究生部，四川 綿陽 621900)

王汝恒 (西南科技大學土木工程與建筑學院，四川 綿陽 621010)

在爆炸沖擊荷載作用下，引起建筑結構坍塌的主要原因是鋼筋混凝土梁、柱構件的破壞。運用非線性有限元顯示動力分析軟件LS-DYNA對鋼筋混凝土梁建立了三維有限元模型，并對爆炸沖擊荷載下的鋼筋混凝土梁的動力響應進行了數值模擬分析，得到了鋼筋混凝土梁的破壞模式。研究結果表明，爆炸荷載作用下鋼筋混凝土梁的破壞模式與沖擊波超壓和荷載作用時間有關，在較小沖擊波荷載超壓與較長爆炸作用時間的作用下，將發生鋼筋混凝土梁整體變形破壞；在較大沖擊波荷載超壓與較短爆炸作用時間的作用下，鋼筋混凝土梁主要發生梁端整體沖切破壞。總之，隨著沖擊波荷載超壓的增加與作用時間的減少，鋼筋混凝土梁的破壞模式逐漸由整體變形破壞轉變為梁端整體沖切破壞。

鋼筋混凝土梁；爆炸荷載；應變率效應；破壞模式

進入21世紀以來，發生在世界范圍內的爆炸恐怖襲擊不斷增加，爆炸恐怖襲擊已經給世界人民的生命和財產安全造成了巨大的威脅，對鋼筋混凝土構件(如梁、板、柱等)的抗爆性能研究也越來越受到工程設計人員的重視。近年來國內外對爆炸荷載下鋼筋混凝土構件進行了一些研究[1-6]，但對鋼筋混凝土梁在爆炸荷載下的抗爆性能研究較少。筆者運用非線性有限元顯示動力分析軟件LS-DYNA對爆炸荷載作用下的鋼筋混凝土梁的抗爆能力進行數值模擬，得到了鋼筋混凝土梁的破壞模式。

1 有限元模型的建立

1.1模型簡介

圖1 鋼筋混凝土梁的有限元模型

運用LS-DYNA建立了典型的鋼筋混凝土梁有限元模型，梁尺寸為250mm×600mm×6000mm，縱筋選用5根直徑為20mm的二級鋼筋，箍筋選用直徑為10mm的一級鋼筋，間距為100mm。混凝土采用三維固體單元SOLID164，鋼筋采用梁單元BEAM161，考慮到計算精度和計算成本原因，網格基本尺寸均取為10mm，鋼筋混凝土梁截面和鋼筋整體布置如圖1所示。

混凝土材料采用MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CONCRETE模型，鋼筋材料采用MAT_PLASTIC_KINEMATIC模型，所選材料模型能夠很好地模擬鋼筋和混凝土材料在爆炸沖擊荷載下的動力響應，所選材料參數分別如表1和表2所示。

在數值模模擬分析中，在不影響計算精度的情況下，常將爆炸沖擊荷載等效簡化為線性下降三角形沖擊波荷載作用到模型的接觸面上[7]。

表1 鋼筋材料參數

1.2材料失效控制

表2 混凝土材料參數

在爆炸沖擊荷載作用下，結構材料將經受毫秒級的快速變形，需要考慮材料的應變率效應。材料的應變率效應通常用材料強度的動力增大系數(DIF)來表示，DIF為某一應變率下材料的動力強度和靜力強度之比。

混凝土的動力強度增大系數DIF計算公式如下[8]：

(1)

(2)

(3)

(4)

鋼材強度的動力強度增大系數DIF公式如下[8]：

(5)

1.3粘結與滑移

在爆炸荷載作用下，鋼筋混凝土梁的梁端混凝土將發生大面積剪切破壞，梁的整體剛度將在破壞前后發生巨大變化，混凝土單元與鋼筋單元之間產生巨大剪應力，它們之間必將產生滑移，目前廣泛采用的共節點假設不合適，因為該假設增大了構件的整體剛度。LS-DYNA中的一維滑動接觸模型(CONTACT_1D)能夠很好地模擬鋼筋單元與混凝土單元之間的鏈接和滑移，在該模型中，鋼筋單元節點被看著一些附屬節點，被迫沿著混凝土單元節點滑動，模型在鋼筋單元節點和所對應的混凝土單元節點之間插入虛擬的彈簧單元，彈簧單元提供粘結力，當粘結力超過某個極限值的時候，鋼筋單元和所對應的混凝土單元即會分離。鋼筋與混凝土單元之間的最大粘結力取為22MPa[9]。

2 數值模擬分析

圖2 超壓-時間曲線圖

圖3 不同爆炸沖擊波荷載作用時間下鋼筋混凝土梁的破壞形態

運用鋼筋混凝土梁模型進行數值模擬分析，得到不同作用時間下鋼筋混凝土梁的破壞壓力峰值(見圖2)。由圖2可知，當爆炸荷載作用時間小于10ms時，隨著爆炸荷載作用時間的增加，鋼筋混凝土梁的破壞壓力峰值下降明顯；當爆炸荷載作用時間大于10ms時，隨著爆炸荷載作用時間的增加，破壞壓力峰值下降非常緩慢，直至趨于定值。當鋼筋混凝土梁受到爆炸荷載作用時，若爆炸荷載取值范圍在曲線上方時，將發生破壞，反之，將不會破壞。

研究表明，在不同爆炸荷載作用時間下，鋼筋混凝土梁的破壞形態有所不同(見圖3)。當爆炸荷載作用時間較短(如5ms)、沖擊波荷載超壓較大時，鋼筋混凝土梁支座兩端附近的混凝土破壞嚴重，而跨中裂縫相對較少，鋼筋混凝土梁直接發生梁端整體沖切破壞(見圖3(a))；當爆炸荷載作用時間較長(如25ms)、沖擊波荷載超壓較小時，鋼筋混凝土梁由于吸收沖擊波能量而發生整體變形破壞(見圖3(b))。

3 結 語

鋼筋混凝土梁在不同的爆炸荷載作用下將會產生不同的破壞類型，其破壞模式與沖擊波荷載超壓和荷載作用時間有直接關系。在較小沖擊波荷載超壓與較長爆炸作用時間的作用下，將發生鋼筋混凝土梁整體變形破壞；在較大沖擊波荷載超壓與較短爆炸作用時間的作用下，鋼筋混凝土梁主要發生梁端整體沖切破壞。總之，隨著沖擊波荷載超壓的增加與作用時間的減少，鋼筋混凝土梁的破壞模式逐漸由整體變形破壞轉變為梁端整體沖切破壞。

[1]孫建運.爆炸沖擊荷載作用下鋼骨混凝土柱性能研究[D].上海:同濟大學,2006.

[3]方秦,柳錦春,張亞棟，等.爆炸荷載作用下鋼筋混凝土梁破壞形態有限元分析[J].工程力學,2001,18(2):1-8.

[4]方秦,吳平安.爆炸荷載作用下影響RC梁破壞形態的主要因素分析[J].計算力學學報,2003,20(1):39-42.

[5]柳錦春,方秦,龔自明，等.爆炸荷載作用下鋼筋混凝土梁的動力響應及破壞形態分析[J].爆炸與沖擊,2003,23(1):25-30.

[6]馮洪波. 爆炸荷載作用下鋼管混凝土柱的動力響應研究[D]. 西安:長安大學,2008.

[7] 李國豪. 工程結構抗爆動力學[M].上海：上海科學技術出版社，1989.

[8] Malvar L J, Ross C A. Review of strain rate effects for concrete in tension [J]. ACI Materials Journal, 1999, 96(5): 614-616.

[9] Weatherbly J H. Investigation of Bond Slip Between Concrete and Steel Reinforcement under Dynamic Loading conditions[D]. Mississippi: The Department of Civil Engineering Mississippi State University, 2003.

[編輯] 李啟棟

10.3969/j.issn.1673-1409.2011.07.032

TU375.1

A

1673-1409(2011)07-0089-03

2011-05-25

向強，男，碩士生，現主要從事建筑結構抗爆方面的研究工作。