爆炸沖擊作用下的鋼管混凝土研究的論述

2019-08-26 01:20:29劉洋

山東工業技術 2019年22期

摘要：本文首先對爆炸沖擊荷載發生的情況做一簡單的介紹，論述了在爆炸沖擊荷載作用下的鋼管混凝土主要的研究方法，并對近些國內的學者研究在爆炸沖擊荷載作用下的鋼管混凝土的科研成果進行了總結，在截面形式的選擇、重點部位的加強（柱頭和柱腳）、折合距離和比例距離的設置等方面的作用均為工程實踐提供一定的科學指導。

關鍵詞：爆炸沖擊荷載;鋼管混凝土;ANSYS/LS-DYNA

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.22.079

1 引言

爆炸沖擊荷載對建筑物的影響雖非大概率事件，但在世界范圍內也是存在的，尤其是恐怖主義活動。例如，2001年的“911”事件，美國的雙子大樓遭受到爆炸沖擊荷載，導致建筑物的倒塌;其實在我們的日常生活中也有可能遭受到爆炸沖擊荷載，比如，煤氣泄漏致使建筑物損壞甚至倒塌，2008年大連的一家飯店煤氣爆炸將三層高的樓房化為烏有;隨著無人機的快速發展和低空汽車的開發研制，對于建筑物承受爆炸沖擊荷載存在更嚴峻的考驗。因此，對于建筑物遭受爆炸沖擊荷載的研究受到更為廣泛的認識。

鋼管混凝土具有良好的抗震和動力性能，對建筑物提高承受爆炸沖擊荷載能力有著較好的作用，因此，本文根據相關的參考文獻歸納和總結鋼管混凝土在爆炸沖擊荷載作用下的主要研究方法和重要結論。

2 爆炸沖擊荷載作用下鋼管混凝土柱研究方法

2.1 試驗法

試驗法是科學研究最重要的手段之一，爆炸沖擊荷載作用下鋼管混凝土柱研究也不例外。由于爆炸沖擊荷載的復雜性，完全模擬實際的爆炸沖擊荷載是不現實的，比如，爆炸事故發生過程中受到結構物的阻礙以及地面的反射作用，嚴格意義上的自由空氣爆炸情況是不存在的，因此我們采用試驗法只能近似的模擬。在2012年何斌[1]以不同的含鋼率和不同藥量對9組簡支鋼管混凝土柱進行了抗暴試驗研究，主要考察了爆炸空氣沖擊波壓力時間曲線、構件跨中應變時間曲線和構件的最終撓度等參數對鋼管混凝土柱抗彎性能的影響。在2013年孫珊珊[2]進行了3組鋼管混凝土柱的抗暴試驗，主要對柱的迎爆面及背爆面的超壓時程曲線，自由場中的反射壓力時程曲線，振動加速度等參數進行了觀測。

2.2 有限元模擬法

爆炸沖擊荷載數值模擬的問題的核心是解決多流體介質非線性動力分析問題，根據坐標不同主流的方法有Lagrange和Euler兩種。Lagrange法又稱拉格朗日法，它是將坐標固結在物質上，隨著物質一起運動或變形，變形后材料的自由表面可以自動被網格的邊界捕捉到，由于一個網格或單元始終對應一塊物質團，所以在網格中不存在材料的流動。Euler法又稱歐拉坐標法，是將固定的空間坐標系，固網格也是固定不變的，材料通過網格邊界流進流出，可以用于分析觀測變形程度較大的問題。但是，采用固定的空間坐標系難于跟蹤物質的變形，只有很精確的網格才能捕捉到固體材料的變形響應，但這將使數值分析的成本提高，尤其是用于分析應變相對較小的問題時成本問題更為突出[3]。

Euler方法和Lagrange方法在處理不同問題上各有優缺點，在解決流體-固體耦合問題時，需要將兩者的優點緊密結合起來，這樣產生了ALE1（Arbitrary Lagrange-Euler）算法。ALE方法還可以解決固體大變形數值計算的難題，目前，該方法已經成為分析大應變問題的十分重要的數值分析方法。

ANSYS/LS-DYNA是以Lagrange為主，兼有ALE和Euler算法，可以較好對爆炸荷載進行數值模擬，并且有較多的科研人員均采用此軟件對爆炸荷載進行研究，例如，閻石（2011）[4]、黃拓（2012）[3]、吳賽（2013）[5]、孫宇（2015）[6]等均采用ANSYS/LS-DYNA對爆炸荷載作用下的鋼管混凝土進行了抗暴性能的研究，得到較好的科研效果。

3 爆炸沖擊荷載作用下鋼管混凝土柱主要研究成果

利用以上兩種方法國內外學者對爆炸沖擊荷載作用下鋼管混凝土柱的研究取得較多的科研成果，具體如下：

（1）含鋼率對于構件抗暴能力影響并不大，而截面形狀和截面尺寸對其影響較大，并且圓鋼管混凝土抗暴能力要高于方鋼管混凝土。鋼管混凝土的抗暴能力遠遠大于鋼管的抗暴能力;

（2）爆炸荷載作用下，鋼管混凝土柱主要發生剪切破壞和彎曲破壞，主要分布特點是上下兩側（柱頭和柱腳）發生剪切破壞，中間發生彎曲破壞;

（3）內置混凝土以受拉破壞為主;

（4）折合距離與鋼管混凝土柱的變形呈現反比例的關系，與鋼管和混凝土的破壞程度也成反比例關系;

（5）比例距離與柱中點的水平最大位移和殘余位移呈現反比例的關系。

4 結語

目前，爆炸沖擊荷載作用下的鋼管混凝土的研究方法已經較為成熟，所取得的科研成果對工程實踐起到了一定的指導作用，在鋼管混凝土的截面形式的選擇、重點部位的加強（柱頭和柱腳）、折合距離和比例距離的設置等方面的作用尤為突出，為鋼管混凝土的結構設計提供重要的理論基礎。

參考文獻：

[1]何斌.鋼管混凝土結構構件抗爆炸沖擊荷載的特性研究[D].中北大學，2012.

[2]孫珊珊.爆炸荷載下鋼管混凝土柱抗爆性能研究[D].長安大學，2013.