鋼筋對鋼-混結構柱抗暴性能的影響

李北杰，常春偉

(1.軍事交通學院 研究生管理大隊，天津 300161； 2.軍事交通學院 國防交通系，天津 300161)

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● 基礎科學與技術Basic Science & Technology

鋼筋對鋼-混結構柱抗暴性能的影響

李北杰1，常春偉2

(1.軍事交通學院 研究生管理大隊，天津 300161； 2.軍事交通學院 國防交通系，天津 300161)

通過探究鋼混結構爆炸毀傷機理，為編制交通重點目標搶修方案提供理論支持，為交通基本建設貫徹國防要求提供技術支撐。通過對CONWEP實現爆炸(沖擊)荷載對鋼筋混凝土柱的毀傷分析，對比不同縱筋配筋率下鋼筋混凝土柱及素混凝土柱在爆炸荷載下的動力響應和破壞特點，分析縱筋配筋率對鋼筋混凝土柱抗爆性能的影響。結果表明，鋼筋能改善混凝土建(構)筑物的抗爆性能，但提升縱筋配筋率則影響有限。

鋼筋混凝土柱；抗爆性；縱筋配筋率

近年來，各類爆炸事故頻頻發生，造成了重大的人員傷亡和財產損失，引發人們對建筑物在爆炸沖擊作用下安全性能的關注，尤其是建筑物抗爆性方面。抗爆性是指建筑物抵抗爆炸沖擊荷載作用的能力，是衡量建筑物抗爆安全性的重要指標。利用有限元分析方法，國內外對鋼筋混凝土構件在爆炸荷載作用下的動力響應進行了大量研究，并應用于建筑物的抗爆性評估和建筑物的爆破拆除方面，但對于交通基礎設施抗暴毀傷的研究則相對匱乏。同時，基于美軍的“五環“打擊，交通設施處于打擊的第三環，交通建筑物的抗爆能力研究，也是戰爭破壞需重點關注的研究領域。

鋼筋是鋼筋混凝土構件中的重要部分之一，在爆炸沖擊作用下動力響應形式較為復雜，對其展開研究，能為交通基礎設施的抗爆毀傷仿真研究探索方法。柱是工程設施中常見的構件形式，有結構柱和構造柱之分。本文選取形式較為簡單的鋼-混結構柱作為研究對象，該結構為豎向受力構件，將承受的豎向荷載傳遞到基礎。運用有限元的方法，就鋼-混結構柱在非接觸情況下的爆炸過程予以三維數值模擬，采用CONWEP[1]實現爆炸荷載的加載，分析鋼筋對柱形構件毀傷機理和破壞特征產生的影響。

1　理論基礎

1.1爆炸理論

(1)空中爆炸[2]。爆源位于遠離結構的自由空氣中，產生的沖擊波傳播較遠距離才作用到結構上，稱為自由空氣爆炸。沖擊波傳到地面會發生反射，反射波同入射波匯合會使爆炸沖擊波增強，由于自由空氣爆炸中爆源離地面較遠，作用于結構之前，爆炸波尚未傳播到地面上，爆炸沖擊波不會因為地面的反射而增強。本文模擬采用的荷載加載方式即為空爆方式。

(2)爆炸相似理論。爆炸沖擊波的基本參數，可通過相似定律推導，文中采用的爆炸荷載曲線的推導即由此獲得，具體參數計算公式如下[3]。

1.2混凝土損傷模型

混凝土屬于復合材料，物理性質復雜，為準確描述其力學特性，在基于理論分析和試驗研究的基礎上，提出了粘彈性模型、粘塑性模型、滯后模型和塑性損傷模型等一系列的混凝土模型。本文采用的混凝土模型(即MAT_72R3)屬于塑形損傷模型[4]。

MAT_72R3模型充分考慮了混凝土材料的彈性斷裂能、應變率效應、約束效應等特性，以最大失效面、殘余失效面和屈服失效面3個強度破壞面描述混凝土材料的塑性性能。

最大失效面(Maximum Failure Surface)：

殘余失效面(Residual Failure Surface)：

屈服失效面(Yield Failure Surface)：

式中：p為壓力；a0、a1、a2、a1f、a2f、a0y、a1y、a2y為材料常數，由單軸抗壓試驗和三軸受壓試驗確定。

2　模型建立

2.1基礎模型

模型中混凝土采用solid164單元，以映射方式劃分為Lagrange網格，鋼筋采用beam161單元，通過賦予實常數的方式實現尺寸設定，混凝土和鋼筋間采用共節點設置，單位制為cm-g-s。考慮模型對稱的特點，取模型的1/4建模，分別以平面X=0和Y=0為對稱面，施加對稱約束。為防止網格大變形導致計算精度下降、計算步長變小等問題，加入*MAT_ADD_EROSION自動刪除失效混凝土單元，這里選用MXEPS模式，取值為0.001[5]。

柱幾何尺寸為60 cm×60 cm×360 cm，布筋形式為8根縱筋位于柱的四周，縱筋直徑為2.5 cm，箍筋直徑為1 cm，間距為20 cm(如圖1所示)。以等效500 gTNT距柱中心40 cm處產生的爆炸沖擊波為荷載。

圖1　柱模型示意

2.2對比模型

為更好地研究鋼筋對鋼-混結構柱的抗暴性影響，本文以縱筋配筋率為單一變量，通過調節縱筋直徑實現縱筋配筋率的調整，同時為使數據更加全面，特增加素混凝土柱以模擬配筋率為0的情形(見表1)。

表1　對比模型縱筋直徑與配筋率

3　數值模擬

3.1破壞過程及分析

圖2、圖3分別對應b-0、b-1的破壞毀傷云圖。由圖2可知，迎爆面的裂紋和破壞最先在垂直于爆心的柱的四周呈環狀出現，逐漸向上下兩端以環形擴展，在1 000 μs時基本擴展到了全柱，以柱中心上下25 cm范圍的損傷較為嚴重。在400 μs時，迎爆面的裂紋和破壞尚未延伸到背面，背面已出現較為嚴重的集中破壞和損傷，這是由應力波傳播到柱背面反射產生的波造成的，隨后兩處裂紋和破壞相合，1 000 μs時柱背面可見明顯開裂，背面裂紋范圍達柱中心上下120 cm，10 000 μs時未見柱彎曲而背面開裂現象更嚴重且伴有拋散，柱呈現剪切破壞。

圖2　b-0的破壞毀傷云圖

圖3　b-1的破壞毀傷云圖

由圖3可知，迎爆面毀傷形式同b-0類似，但可見在箍筋處有較為明顯的毀傷斷層，迎爆面以柱中心上下20 cm范圍的損傷較為嚴重，損傷擴展較慢，表明箍筋可影響損傷的擴展與分布。從側面可知，1 000 μs時柱出現輕微彎曲，10 000 μs時彎曲現象明顯，背面混凝土有開裂和拋散，柱呈現彎曲破壞，背面損傷范圍上下80 cm。

綜合對比b-0、b-1的毀傷效果，兩者的背面損傷范圍均大于正面，接近于4，說明柱的背面拉伸破壞程度大于正面的壓縮破壞，而b-1的正面損傷范圍較b-0減小20%，背面減小33.3%，表明鋼筋可以改善柱的抗毀能力，鋼筋混凝土柱的抗爆性能強于素混凝土柱。

3.2縱筋配筋率的影響

鋼筋對鋼-混結構柱的抗爆性影響研究，從抗爆彎、剪性能影響和抗毀傷能力兩個方面進行。其中抗爆彎、剪性能以迎爆面柱中心點的位移進行參考，在相同爆炸沖擊荷載作用下，鋼-混凝結構柱的抗爆彎、剪能力愈強，則位移愈小；而抗毀傷能力則以柱背面的損傷范圍(即裂紋距中心的最遠端)和柱背部集中損傷的面積大小為標準予以考量，爆炸沖擊荷載對鋼-混凝結構柱造成的傷害愈大，則損傷面積愈大。

(1)抗爆彎、剪性能的影響。不同縱筋配筋率下的鋼-混結構柱在相同爆炸荷載作用下迎爆面柱中點的最大位移見表2。

表2　不同縱筋配筋率下迎爆面柱中點的最大位移

表2中關于b-0迎爆面柱中點的位移和有效塑性應變的時程曲線如圖4、圖5所示。

圖4　位移時程曲線

圖5　有效塑形應變時程曲線

由圖4、圖5可知，b-0的迎爆面柱中心點，有效塑形應變在100 μs時快速增加，到400 μs時降為0，但在400 μs后位移仍繼續增加，表明此時該處已失效。說明素混凝土柱的抗爆彎、剪能力弱，在等效500 gTNT沖擊荷載下損傷嚴重。

與圖6相應的擬合曲線函數為

y=-0.002lnx+0.0449，R2=0.968 7

式中：y為對應位移，cm；x為對應配筋率；R2為曲線擬合程度。

結合表2和圖6可知，從b-1到b-4，鋼-混結構柱縱筋配筋率從1%提高到4%，迎爆面柱中心點的最大位移由0.052 242 cm減小到0.050 027 cm，縱筋配筋率提高了3倍，最大位移減小了4%，表明縱筋配筋率對鋼-混凝結構柱的抗爆彎、剪能力有一定影響，提高縱筋配筋率可以少量地提升其抗爆彎、剪能力。

圖6　縱筋配筋率與位移的關系

(2)抗毀性能的影響。圖7～圖9分別對應b-2到b-4的正面和背面毀傷效果。

圖7　b-2破壞毀傷云圖

圖8　b-3破壞毀傷云圖

圖9　b-4破壞毀傷云圖

結合圖2、圖3，以及圖7～圖9的正面和背面毀傷效果，可獲得不同配筋率情況下鋼-混結構柱的損傷情況，具體情形見表3。

表3　不同配筋率柱損傷情況

由表3可知，當鋼筋混凝土柱的縱筋配筋率由1%增大到4%時，柱背面損傷范圍由86 cm減小到77 cm，降低10.4%，說明縱筋配筋率的提升減小柱背面損傷的范圍。原因在于縱筋承擔鋼-混結構所受的拉應力，提升配筋率能提高鋼筋混凝土柱的抗拉能力，較高的抗拉能力對裂紋的擴展起到抑制和減緩作用，使得損傷的范圍得以有效降低，所以可通過提升配筋率減少損傷的范圍。

柱背面中部的集中損傷區域面積僅由980.17 cm2減小到959.76 cm2，顯示隨著縱筋配筋率的提升，鋼-混凝結構柱的背部集中損傷區域有所減小，但減小程度十分有限，僅縮小了2%，這是由于這部分的損傷由柱背面的反射拉伸波和應力波共同造成，損傷集中，破壞嚴重，提升縱筋配筋率對鋼筋混凝土柱集中損傷區域的局部抗暴力學性質影響有限，使得隨著配筋率增大損傷區域面積未顯著減少。

對不同縱筋配筋率情況下鋼筋混凝土柱背部集中損傷面積進行曲線擬合，擬合函數如圖10所示。

圖10　配筋率與損傷面積的關系

與圖10相應的擬合曲線函數為

y=-14.75lnx+912.17，R2=0.999 8

式中：y為對應損傷面積，cm2；x為對應配筋率。

根據擬合曲線函數知，縱筋配筋率同柱背面集中損傷面積為對數函數，隨著配筋率的提升，損傷面積減少，但減少程度較小。

4　結　論

本文基于ANSYS/LS-DYNA軟件實現不同縱筋配筋率的鋼-混結構柱三維數值模擬，結論可為大型鋼筋混凝土建(構)筑物的抗爆性研究和交通設施建設貫徹國防要求研究提供參考和借鑒。

(1)縱筋配筋率能夠影響鋼-混結構柱的抗爆彎、剪能力，通過提高縱筋配筋率在一定程度上可以提升其抗爆彎、剪能力，但效果有限。

(2)縱筋配筋率對鋼-混結構柱背面損傷的范圍有顯著影響力，提高縱筋配筋率可減小背面損傷范圍；提高縱筋配筋率對背面中部集中損傷影響較小，表明縱筋配筋率對鋼筋混凝土柱集中損傷區域的局部抗暴力學性質改善并不理想。

[1]Ostraich B,Sadot O,Levintant O,et al.A method for transforming a full computation of the effects of a complex-explosion scenario to a simple computation by Conwep[J].Shock Waves,2011,21(2):101-109.

[2]羊勇.爆炸荷載作用下高墩毀傷機理數值仿真研究[D].天津：軍事交通學院，2015.

[3]周旭.導彈毀傷效能試驗與評估[M].北京：國防工業出版社，2014：362-363.

[4]Malvar L J, Crawford J E, Wesevich J W, et al. A Plasticity Concrete Material Model for DYNA3D[J]. International Journal of Impact Engineering, 1997, 19(9/10): 847-873

[5]汪維.鋼筋混凝土構件在爆炸荷載作用下的毀傷效應及評估方法研究[D].長沙：國防科學技術大學，2012.

(編輯：史海英)

Anti-knock Performance Influence of Rebar on Reinforced Concrete Column

LI Beijie1， CHANG Chunwei2

(1.Postgraduate Training Brigade, Military Transportation University, Tianjin 300161, China;2.National Defense Traffic Deparment, Military Transportation University, Tianjin 300161, China)

To provide theory basis for organizing emergency repair program and provide technical support for traffic construction implementing national defense requirements, by studying explosion damage mechanism of reinforced concrete structures, the paper analyzes the damage of explosion (impact) load on reinforced concrete column with CONWEP, compares dynamic response and damage features of reinforced concrete column with plain concrete column at different ratio of longitudinal reinforcement, and analyzes the anti-knock performance influence of longitudinal reinforcement ratio on reinforced concrete column. The result shows that rebar can improve anti-knock performance of concrete structures, but it has limited effects on improving ratio of longitudinal reinforcement.

reinforced concrete column; anti-knock performance; longitudinal reinforcement ratio

2016-03-09；

2016-04-20．

李北杰(1990—)，男，碩士研究生；

常春偉(1968—)，男，博士，教授，碩士研究生導師．

10.16807/j.cnki.12-1372/e.2016.10.021

TU528.57

A

1674-2192(2016)10- 0087- 05