爆炸荷載作用下鋼筋混凝土框架柱的破壞形態分析

王 釗

（濱州市規劃設計研究院， 山東 濱州 256600）

框架結構作為最普遍的結構形式被廣泛地應用于結構設計。作為框架結構的重要組成部分，框架柱具有不可替代的作用。框架柱承載著上部結構（包括梁、板及其它結構構件）傳來的豎向荷載，一旦框架柱發生倒塌，將會造成人員傷亡及難以估量的經濟損失。本文采用通用有限元軟件LS－DYNA對爆炸荷載作用下框架柱的破壞形態進行分析。

1 框架柱尺寸、炸藥藥量與爆炸點位置

根據《混凝土結構設計規范》與《建筑抗震設計規范》相關規定，標準柱截面尺寸為0.6m×0.6m、高度3m，框架柱上下兩端采用固定端約束。TNT炸藥會產生很大的超壓荷載而對結構構件造成嚴重的破壞。筆者根據以往學者的研究成果，選擇 W=10kg兩種藥量。該藥量既保證了框架柱能夠發生破壞而又不至發生完全破壞。爆炸點位置的選擇對于研究爆炸荷載作用下結構構件的破壞形態非常重要，筆者將炸藥布置在距離柱底1m處。

2 有限元模型與荷載的施加

2.1 有限元模型

混凝土采用SOLID164單元，鋼筋采用BEAM161單元。混凝土與鋼筋物理力學參數見表1、表2。根據眾多學者的數值模擬經驗，爆炸超壓作用時間很短，可以忽略鋼筋與混凝土之間的相對滑移，故采用共用節點的方式定義兩者之間的接觸。鋼筋與混凝土有限元網格尺寸均為10mm。

爆炸荷載作用下，混凝土會發生損傷甚至破環。LS－DYNA中，各混凝土材料模型較難直觀地觀察到裂縫及破環情況。筆者通過添加關鍵字*MAT_ADD_EROSION觀察單元刪除情況。

表1 C40混凝土模型參數

表2 HRB400鋼筋模型參數

2.2 爆炸荷載與重力荷載的施加

利用 LS－DYNA關鍵字*LOAD_BLAST_ENHANCED配合關鍵字*LOAD_SEGMEMT_SET定義爆炸荷載及受荷區域。炸藥采用標準 TNT，藥量取10kg。

利用LS－DYNA關鍵字*DEFINE_CURVE配合關鍵字*LOAD_BODY_Y定義梁豎直方向的重力，重力加速度取值9.81m/s2。

3 爆炸荷載作用下框架柱破壞形態分析

圖 1表示爆炸荷載作用下框架柱混凝土塑性變形及上部、中部、下部鋼筋單元的應力時程曲線，通過對圖形分析可以看出：

（1）、由于爆炸荷載距離柱底面1m處，所以混凝土塑性破壞區主要分布在框架柱中下部位。爆炸點正對柱混凝土出現損傷破壞，表現在混凝土塑性應力圖上為紅色區域。隨著時間推進，由于在爆炸荷載作用下，柱底彎矩最大，所以柱底出現破壞，混凝土單元被刪除。

（2）、筆者選取柱上部、中部、下部三處鋼筋應力時程曲線作為分析對象。2ms之前，柱在重力荷載作用下發生彈性變形，鋼筋在彈性范圍內，鋼筋產生壓應力，應力時程曲線表現為一段直線。2ms～3ms時間段內，爆炸荷載作用于混凝土柱上，鋼筋應力迅速增大至100MPa并發生振動，振動時間大約持續1ms。4ms以后，爆炸荷載作用時間結束，混凝土柱發生破壞，鋼筋應力趨向于零。

圖1 爆炸荷載作用下，柱混凝土應力分布及鋼筋應力曲線

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