考慮粘結滑移的RC柱抗爆性能影響因素分析

張世雄

鋼筋和混凝土作為構成混凝土結構的最重要的兩種材料,它們之間粘結滑移無疑是影響結構抗爆性能的因素之一。已有的數值模擬絕大多數都假定鋼筋和混凝土之間完全粘結,不會發生滑移現象。這一假定使結構剛度增大,與實際不符。

1 鋼筋與混凝土之間粘結滑移的模擬

鋼筋與混凝土之間粘結滑移的數值模擬可近似分為:1)定義接觸;2)在鋼筋與混凝土之間插入沒有物理厚度的粘結滑移單元。文中采用LS-DYNA中的一維滑移線來定義鋼筋與混凝土之間的接觸,從而近似模擬鋼筋與混凝土之間的粘結滑移。一維滑移線用關鍵字*CONTACT_1D來定義,其中把附著在鋼筋單元上的一系列在同一直線上的節點稱為從節點,在同一位置但附著在混凝土單元上的一系列在同一直線上的節點稱為主節點,把這一直線稱為主線,從節點被迫沿著主線滑動。在從節點和相對應的主節點之間插入虛擬的彈簧,粘結力由彈簧提供,見圖1。

當鋼筋與混凝土在發生相對滑移且損傷累積不考慮時,可假定混凝土與鋼筋之間的粘結滑移是理想彈塑性的;但當損傷累積考慮在內時,可假定在彈性區域,粘結力與彈性滑移量成正比關系;在塑性區域,隨著塑性滑移量的增加,粘結力呈指數衰減,見圖2。

粘結剪切應力與滑移之間的關系可以用下式表示:

其中,GS為粘結剪切模量;Smax為最大彈性滑移量;hdmg為曲線損傷參數;D為塑性位移的絕對值。

2 計算模型

爆炸荷載參數見表1。混凝土采用H-J-C模型,考慮了應變率的影響,RC柱軸心抗壓強度采用42 MPa。鋼筋采用*Mat_Plastic_Kinematic材料模型,縱筋采用 HRB335,直徑為20 mm,箍筋采用HPB235,直徑為8 mm。柱參數見表 2。

表1 爆炸荷載參數表

表2 RC柱參數表

假設RC柱縱筋圓心到混凝土柱表面的距離為40 mm,為了更合理地分析RC柱的鋼筋周圍的動力響應,鋼筋周圍的網格劃分相對較密,在RC柱截面四個角部采用20 mm×20 mm的網格,柱截面中部網格相對較粗,網格大小為30 mm×30 mm,其他采用20 mm×30 mm的網格,高度方向上網格長度為50 mm。

3 計算分析

3.1 爆炸荷載作用下箍筋間距的影響分析

柱截面尺寸、混凝土及鋼筋強度不變,取不同箍筋配筋率如表3所示。

表3 混凝土柱模型分類表

柱兩端的箍筋對RC柱抗爆性能有較大影響,柱端箍筋間距縮小,可以有效提高RC柱的抗爆性能;柱中部箍筋對RC柱抗爆性能影響相對較小;箍筋間距的縮小可以減小柱中最大水平位移。

3.2 爆炸荷載作用下縱筋配筋率的影響分析

其余參數均不變,取不同縱筋配筋率,如表4所示。

表4 混凝土柱模型分類表

縱筋配筋率的提高對RC柱的抗爆性能有較大影響,隨著縱筋配筋率的提高,柱中水平位移明顯減小,這也就意味著RC柱抗爆性能顯著提高。

3.3 爆炸荷載作用下軸壓比的影響分析

其余參數均不變,取不同軸壓比,如表5所示。

表5 混凝土柱模型分類表

軸壓比對RC柱的抗爆性能有很大的影響。當柱承受軸力較小時,相當于給了混凝土構件一個預壓力,可以有效提高混凝土受拉區單元的抗拉應力,當RC柱發生彎曲破壞時,一般為混凝土受拉區被拉壞,因此施加較小軸力可以適當提高混凝土的抗破壞性能;而當軸壓比較大,隨著軸力的增大,跨中混凝土受壓區單元承載了過高的軸向壓應力,而當爆炸荷載施加時,由于構件的彎曲變形,其跨中受壓區混凝土單元壓應力進一步增大,有可能先于受拉區混凝土單元達到破壞,柱中受壓區混凝土壓碎而破壞;當軸壓比繼續增大時,混凝土由于其應力接近極限值,在外力爆炸荷載作用下,RC柱跨中大部分區域均發生受壓區混凝土破壞。

3.4 爆炸荷載作用下爆炸距離的影響分析

爆炸荷載作用下爆炸距離的影響分析見圖3。

由此可見,對于爆炸荷載,隨著爆炸距離的增加,柱中最大水平位移明顯減小,這也就意味著柱受到的損傷明顯減小,且這種減小不是線性的,而是指數衰減的,爆炸距離相對較小時,距離的變化引起的衰減較快,而當爆炸距離達到一定數值后,RC柱柱中最大水平位移值很小,衰減自然就慢。

3.5 爆炸荷載作用下TNT當量的影響分析

爆炸荷載作用下TNT當量的影響分析見圖4。

由此可見,TNT當量的大小對RC柱受到破壞程度有很大影響。TNT當量越大,結構受到破壞也越嚴重,而且在圖4中還可以看到隨著TNT當量增加,柱中最大水平位移有增速的傾向。

4 結語

1)柱端箍筋間距減小,可以明顯提高RC柱的抗爆性能;柱中部箍筋對RC柱抗爆性能影響較小。2)提高縱筋配筋率可以有效提高其在爆炸荷載下的抗彎性能。3)隨著軸壓比的增大,RC柱的抗爆性能并不是單調提高或者單調降低的。軸壓比較小時,對RC柱抗爆有利,但軸壓比較大時,RC柱柱中混凝土在爆炸荷載的作用下容易被壓碎而發生破壞。4)炸藥的TNT當量和爆炸距離對RC柱抗爆性能的影響尤為顯著,TNT當量越大,爆炸距離越小,RC柱受到的破壞也越嚴重。

[1]LS-DYNA Version 971.Livermore Software Technology Corporation,2006.

[2]過鎮海,時旭東.鋼筋混凝土原理和分析[M].北京:清華大學出版社,2003.

[3]TM 5-1300,The Design of Structures to Resist the Effects of Accidental Explosions.Technical Manual,US Department of the Army,Navy,and Air Force,Washington D C,1990.