雙向支撐鋼筋混凝土板在爆炸荷載作用下破壞模式與影響因素分析

王 淞， 劉筱玲

(西南科技大學土木工程與建筑學院， 四川綿陽 621010)

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雙向支撐鋼筋混凝土板在爆炸荷載作用下破壞模式與影響因素分析

王 淞， 劉筱玲

(西南科技大學土木工程與建筑學院， 四川綿陽 621010)

文章利用LS-DYNA軟件對鋼筋混凝土板在爆炸荷載作用下的毀傷破壞進行數(shù)值模擬研究,得到了鋼筋混凝土板在不同當量的裝藥、爆距作用下發(fā)生不同的破壞模式。在此基礎上分析不同鋼筋混凝土抗壓強度、比例距離與板毀傷破壞程度之間的關系。研究結果表明:當峰值壓力較大,作用時間較短時板主要發(fā)生剪切崩塌破壞;而在峰值壓力較小,作用時間較長時,鋼筋混凝土板主要發(fā)生中部彎曲破壞;隨著混凝土抗壓強度和比例距離的增加,板的破壞程度逐漸減小。研究結果可為以后工程應用提供參考。

爆炸荷載; 鋼筋混凝土板; 數(shù)值模擬; 破壞模式

研究鋼筋混凝土梁、板、柱等結構構件及整個結構在爆炸荷載作用下的破壞模式和抗爆性能，對于提高鋼筋混凝土結構的抗爆安全性具有重要的理論意義和工程價值[1]。由于爆炸荷載具有傳播速度快、峰值大、作用時間短等特點,爆炸沖擊荷載作用下鋼筋混凝土構件和結構的動力響應十分復雜。近年來國內(nèi)外學者對鋼筋混凝土板在爆炸荷載作用下的動力行為開展了一系列的研究。文獻[2]分析了鋼筋混凝土板在爆炸荷載作用下的剪切和彎曲失效;文獻[3]通過試驗研究了纖維增強鋼筋混凝土板的抗爆性能；文獻[4-5]通過數(shù)值模擬研究了爆炸荷載作用下鋼筋混凝土板的破壞模式及破壞效應。但是對于雙向支撐的鋼筋混凝土板破壞模式、損傷破壞響應、建筑物不同構件之間的相互作用對破壞程度的影響的研究較少。

本文對雙向支撐的鋼筋混凝土板在爆炸荷載作用下進行數(shù)值模擬分析,得到鋼筋混凝土板在不同當量的裝藥、爆距作用下發(fā)生不同的3種破壞模式。在此基礎上分析不同鋼筋混凝土抗壓強度、比例距離及爆點與毀傷破壞程度之間的關系。

1 有限元模型的建立

1.1 幾何模型

數(shù)值模擬計算采用CONWEP算法,通過Load-Blast爆炸加載方法模擬裝藥在不同位置爆炸對板的破壞情況。鋼筋混凝土板模型尺寸為8.5m× 7.5m×0.3m,雙向單層配筋方式，橫向和縱向配筋均為φ6HPB235，配筋間距為75 mm,平行鋼筋間隔0.16 m,其中鋼筋采用梁單元,混凝土采用八節(jié)點六面體單元,網(wǎng)格尺寸為1 cm,邊界面設為物質(zhì)流出，鋼筋和混凝土接觸單元共用節(jié)點，界面的分離條件為一旦混凝土或鋼筋單元達到失效則計算時將其刪除，界面自動分離。模型中采用侵蝕算法(Erosion)解決網(wǎng)格的大變形問題，有限元模型如圖1、圖2所示。

圖1 鋼筋混凝土板模型

圖2 爆炸沖擊模型

1.2 材料模型及參數(shù)的選取

本文采用鋼筋混凝土一體式模型,混凝土采用LS-DYNA中的材料模型MAT-CONCRETE-DAMAGE-REL3(MAT72)[8],該模型考慮了許多混凝土材料的特性,如彈性斷裂能、應變率效應、約束效應和3種不變量的失效面,且該材料模型經(jīng)研究能被用來分析結構在爆炸荷載作用下的響應[9]。鋼筋采用考慮材料應變率效應的彈塑性材料模型MAT-PLASTIC-KINE-MATIC(MAT3)[8]。 材料參數(shù)及狀態(tài)方程如表1、表2所示。

表1 混凝土材料參數(shù)

表2 鋼筋材料參數(shù)

1.3 應變率效應

鋼筋和混凝土材料在爆炸荷載的作用下,會經(jīng)歷高達10～ 1000 S-1的應變率。在這種高應變率情況下,鋼筋的強度能夠提高50 %,混凝土的抗壓強度能夠提高100 %,因此,本文同時考慮了鋼筋和混凝土的應變率效應。材料的應變率效應通常用材料強度的動力增大系數(shù)(DIF)來表示,DIF定義為在某一應變率下材料的動力強度與靜力強度之比。

鋼筋強度的DIF采用K&C模型,其動態(tài)增強系數(shù)由(1)式確定。

DIFsteel=(ε/10-4)α,α= 0.074-0.040σy/414 (1)

式中:ε為鋼筋的應變率(s-1);σy為鋼筋屈服強度(MPa); 290 MPa≤σy≤ 710 MPa。混凝土強度的DIF采用CEB模型fy,混凝土抗拉強度動力增大系數(shù)TDIF由式(2)、式(3)確定。

TDIFconcrete=σtd/σts=[(ε·d)/(ε·ts)]1.016δ

(2)

TDIF concrete=σtd/σts=β[(ε·d/ε·ts)]1/3

(3)

CDIFconcrete=σcd/σcs

=[(ε·d)/(ε·cs)]1.026α,ε·d≤ 30 S-1

(4)

CDIF concrete=σcd/σcs=γ(ε·d)1/3,ε·d> 30 S-1

(5)

式中:σcd為應變率為ε·d時的混凝土動力抗壓強度;σcs為混凝土靜力抗壓強度,即混凝土應變率為ε·cs時的抗壓強度；logγ=6.156α- 0.49,其中α=(5+ 3σcu/4)-1,σcu為混凝土立方體靜力抗壓強度。

2 破壞模式分析

在爆炸荷載作用下鋼筋混凝土板嚴重破壞時可能發(fā)生彎曲破壞、剪切破壞或彎曲剪切破壞3種破壞模式。彎曲破壞通常表現(xiàn)為板中央鋼筋的屈服、拉斷以及受壓區(qū)混凝土的壓碎;剪切破壞通常表現(xiàn)為板邊緣處發(fā)生直剪破壞或剪跨區(qū)發(fā)生斜剪破壞。數(shù)值模擬表明,在不同爆炸荷載作用下以上3種破壞模式均有可能發(fā)生。

依據(jù)爆炸荷載本身的特點,一般把爆炸荷載分為3類:沖量荷載、準靜態(tài)荷載和動力荷載。沖量荷載指高峰值、低持時的爆炸荷載,多為近距離爆炸產(chǎn)生;準靜態(tài)荷載為低峰值、高持時的爆炸荷載,多為遠距離爆炸產(chǎn)生;而動力荷載一般指峰值和持時介于沖量荷載和準靜態(tài)荷載之間的爆炸荷載。研究表明在沖量荷載作用下,鋼筋混凝土板傾向于發(fā)生剪切破壞;在準靜態(tài)荷載作用下,鋼筋混凝土板則傾向于發(fā)生彎曲破壞。而在動力荷載作用下,鋼筋混凝土板更容易發(fā)生彎剪破壞。這是因為,在沖量荷載作用下,由于作用時間很短,剪應力迅速增大到破壞應力而彎曲位移尚未來得及發(fā)展,因此,更傾向于發(fā)生剪切破壞。而對于準靜態(tài)荷載,由于峰值較小,剪切應力也小,但在較長時間里彎曲變形有較大發(fā)展,故更傾向于發(fā)生彎曲破壞。根據(jù)數(shù)值模擬結果，簡要分析了板在三種情況下的破壞模式，這里本文采用現(xiàn)行的一種破壞等級劃分，即:

1級為輕度損傷:只在板支撐處很小范圍內(nèi)出現(xiàn)大于0.4的拉伸損傷單元,無任何壓縮破壞。

2級為中度損傷:一定范圍內(nèi)出現(xiàn)大于0.4的拉伸損傷單元,無壓縮損傷或壓縮損傷很低,板支撐處及中部出現(xiàn)小部分裂紋,板背面出現(xiàn)一定的層裂。

3級為重度損傷:較大范圍內(nèi)出現(xiàn)大于0.4的拉伸損傷單元,出現(xiàn)一定的壓縮及拉伸破壞,板支撐處及中部出現(xiàn)較多裂紋且部分裂紋貫穿板,板中心處發(fā)生較大撓度。

4級為完全破壞:大部分單元拉伸損傷變量超過0.4,混凝土側邊角出現(xiàn)連續(xù)壓縮損傷且損傷值超過0.6,板大部分崩塌或剪切塌陷。

3 毀傷破壞參數(shù)分析

利用上述有限元模型,采用參數(shù)化分析方法進一步研究混凝土初始抗壓強度、比例距離對鋼筋混凝土板在爆炸荷載作用下的毀傷破壞分析。

3.1 混凝土抗壓強度的影響

為了研究混凝土抗壓強度對鋼筋混凝土板毀傷破壞的影響,保持其他參數(shù)不變,對混凝土抗壓強度分別為10～30 MPa的鋼筋混凝土板在同一爆炸荷載作用后的破壞模式和破壞等級進行了分析。每10 MPa一個量級，列出結果見表3。

表3 板的主要破壞模式和破壞等級

其中爆距為0.3 m,從表3中可以看出,隨著混凝土抗壓強度的增加,鋼筋混凝土板的主要破壞模式由剪切破壞逐漸轉變?yōu)閺澢茐?破壞等級也由完全破壞逐漸轉變?yōu)橹卸葥p傷,板正面中心點的最大撓度變化開始不大,隨后隨著變化模式由剪切破壞逐漸轉變?yōu)閺澢茐膿隙戎饾u變大但破壞區(qū)域逐漸減少。

3.2 不同比例距離的影響

為了研究爆炸比例距離對鋼筋混凝土板毀傷破壞的影響,保持其它參數(shù)不變,對不同比例距離的鋼筋混凝土板在爆炸荷載作用后的破壞模式和破壞等級進行分析,方位角和俯仰角均為零。表4為結果進行歸總分析。

表 4 板的主要破壞模式和破壞等級

4 結論

對鋼筋混凝土板在不同強度及爆炸條件下的破壞模式和抗爆性能進行了數(shù)值模擬分析,得到了爆炸加載后板的3種破壞模式,主要結論如下:

(1)鋼筋混凝土板在相同強度的脈沖壓力作用下會發(fā)生不同的破壞模式,隨著峰值壓力的增加與作用時間的減小,破壞模式逐漸由彎曲破壞轉變?yōu)榧羟衅茐摹?/p>

(2)提高樓板混凝土抗壓強度,能夠顯著提高鋼筋混凝土板在爆炸荷載后的抗爆性能;隨著比例距離的增加,鋼筋混凝土板的破壞減輕。

(3)雙向固支的鋼筋混凝土板在爆炸荷載作用下的破壞等級的確定,可為下一步研究鋼筋混凝土結構建筑物在爆炸荷載作用下的毀傷評估提供參考。

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王淞(1990～)，男，碩士研究生，研究方向為爆炸沖擊。

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[定稿日期]2016-12-05