火災爆炸作用下型鋼柱的動力響應與破壞模式分析

史明方，劉振宇，田志昌

（內蒙古科技大學土木工程學院，內蒙 古包頭 014010）

隨著我國化工產業的迅速發展，易燃易爆品引起潛在火災與爆炸的可能性大大增加，導致火災爆炸事件頻繁發生，這不僅導致了財產的損失，而且帶來了人員的傷亡[1-2]。

國內外學者對火災爆炸作用下建筑結構破壞進行了研究。劉子健等[3]用ABAQUS 分析了不同截面形狀下混凝土柱的受火特征分析。焦燏烽等[4]運用LS-DYNA 在考慮不同柱端約束條件和不同折合距離的影響下，分析了爆炸荷載作用下鋼筋混凝土柱的動態響應及破壞模式。師燕超等[5]運用有限元顯式動力分析軟件，建立混凝土柱模型，分析了爆炸荷載作用下鋼筋混凝土柱的破壞形式。以上研究均是針對單獨爆炸或火災下結構破壞的研究。但是，火災爆炸通常相伴發生，為了更符合實際情況，本文綜合考慮火災和爆炸作用帶來的影響。借助ANSYS/LS-DYNA 顯式有限元軟件，本文對框架在特定火災溫度時，受爆炸作用的型鋼柱進行數值分析，研究火災爆炸作用下型鋼柱的動力響應及破壞模式。

1 有限元模型分析

1.1 材料參數

炸藥的爆炸通過修改K 文件進行引爆，采用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN 和*EOS_JWL 來表示。其中炸藥質量密度為1 630 kg/m3，爆速為6 713 m/s，爆壓為18.5 GPa。空氣材料的關鍵字用*MAT_NULL 來描述，其密度為1.29 kg/m3。

材料通過拉應力是否超過抗拉強度（即米塞斯屈服應力）作為破壞準則。

1.2 模型驗證

本節選用參數與李忠獻等[6]文獻相同，對比分析型鋼柱在爆炸作用下的動力響應。經數值模擬，鋼柱的柱中位移時程曲線與文獻原文計算結果如圖1 和圖2 所示。由圖1 和圖2 可以發現，與原文計算結果相比，ANSYS/LSDYNA 計算得出的型鋼柱位移時程曲線數據與其相差不大、曲線的趨勢基本相同，鋼柱應力云圖與文獻基本類似，破壞模式相同，鋼柱應力云圖與文獻基本類似，破壞模式相同，可以驗證本文使用的數值模擬方法的正確性。

圖1 位移時程曲線對比圖

圖2 應力云圖的對比

1.3 本文使用的鋼材本構模型

通過分析及查閱文獻[7-8]可知，將J-C 模型進行修正，得出Q235-B 鋼的狀態方程[9]，表達式：

式中：σy為考慮火災爆炸作用后的材料屈服強度；σ0為材料的屈服強度；ε 為應變（Z）為不同比例距離下的應變率，為參考應變率，本文取=0.000 1 s-1。T（t）*為無量綱化的溫度。

2 火災爆炸作用下型鋼柱的動力響應

為了分析研究火災爆炸作用下型鋼柱破壞的動力響應，選取6 m×4 m 單跨單層的框架結構，模擬計算簡圖如圖3 所示。計算在溫度分別為20℃、200℃、300℃、400℃、500℃、600℃和700℃時，型鋼柱一側施加爆炸沖擊荷載的動力響應。

圖3 模型計算簡圖

2.1 火災爆炸作用下型鋼柱動力響應分析

圖4 給出火災爆炸作用下型鋼柱跨中的最大位移時程曲線，由圖可以看出，當溫度在20℃、200℃時，由于材料采用*MAT_Plastic-Kinematics 各向同性非線性硬化塑性材料，而且爆炸荷載作用時間極其短暫，故在極短時間內達到位移最大值后型鋼柱跨中最大位移產生震蕩出現波動現象，隨時間增加最后趨于平穩。型鋼柱產生了不可恢復的塑性變形，說明在此溫度下型鋼結構的特性還很穩定；當溫度達到300℃、400℃時，型鋼柱跨中位移達到最大值，并在一定時間后迅速下降，由此看出，型鋼柱達到極限應力時損傷嚴重且在此時結構已經發生失效。

圖4 z=0.95 m/kg1/3 時位移時程曲線

在爆炸作用下，結構的損傷程度不僅取決于炸藥質量，而且還與起爆點和目標點之間的距離有關。所以，通過“比例距離”這一概念將兩者綜合考慮來表示炸藥強度的大小。為了分析炸藥強度的大小對動力響應的影響。本節以型鋼柱兩端為固接的情況下，比例距離z=0.95 m/kg1/3、z=1.36 m/kg1/3和z=2.19 m/kg1/3的型鋼柱為研究對象，研究比例距離對火災爆炸作用下型鋼柱的動力響應及規律的影響。不同比例距離下型鋼柱跨中最大位移隨溫度變化的曲線，如圖5 所示。

圖5 比例距離影響（H=3.3 m）

結果表明，型鋼柱跨中最大位移隨著比例距離的增大而減小，這是因為炸藥當量減小，炸藥沖擊波對型鋼柱迎爆面的沖擊力降低；比例距離越小，沖擊力越大，型鋼柱的跨中最大位移隨溫度的變化趨勢越明顯。在相同比例距離時，隨溫度上升型鋼柱跨中最大位移變化趨勢基本相同，在400℃之前型鋼柱跨中最大位移緩慢增加，600℃之后，型鋼柱跨中最大位移突然增大，這說明在高溫條件時，巨大的沖擊力下使得型鋼柱發生了破壞。“比例距離”這一概念有效地衡量了炸藥的強度，使得計算方法更為簡便，清晰反映了型鋼柱的動力響應特點。

2.2 不同截面形式下型鋼柱的動力響應

根據鋼結構的設計，考慮截面形式對型鋼柱有影響的情況下，當截面慣性半徑接近時選取H 型鋼柱截面尺寸為300 mm×200 mm×10 mm×14 mm，如圖6 所示。

圖6 型鋼柱截面尺寸（單位mm）

比例距離z=1.36 m/kg1/3和z=2.19 m/kg1/3，兩端為固接的型鋼柱為研究對象。研究兩種截面形式時火災爆炸作用下型鋼柱的動力響應特點及規律。通過數值模擬計算得出的型鋼柱跨中最大位移隨溫度變化曲線如圖7 所示。

由圖7 可知，在相同截面形式下，H 形型鋼柱隨溫度升高跨中最大位移緩慢增加，方鋼柱隨溫度升高跨中最大位移的變化趨勢較為明顯，且在400℃之后，H 鋼的跨中位移變化較為穩定；在相同比例距離時，不同截面形式下，H 形截面的型鋼柱跨中最大位移要比方形截面小。

圖7 截面形式的影響

3 火災爆炸作用下型鋼柱破壞模式

基于前文計算，在比例距離對動力響應影響較大情況下，本節對2 種截面形式的型鋼柱在常溫和高溫下的破壞模式進行評估，研究溫度對破壞模式的影響及不同截面的安全性能。

3.1 方鋼柱的破壞模式

爆炸的發生降低了型鋼柱的耐火溫度和耐火時間。本節以柱高H=3.3 m，比例距離分別為z=2.19 m/kg1/3、z=1.36 m/kg1/3和z=0.95 m/kg1/3，對型鋼柱溫度為常溫（20℃）、500℃、700℃時，兩端為固接的方鋼柱為研究對象，分析火災爆炸作用下型鋼柱的破壞模式。通過模擬計算得出常溫（20℃）型鋼柱的應力云圖，如圖8 所示。

圖8 常溫下發生爆炸時方鋼柱破壞模式

結果表明，在常溫下，型鋼柱的破壞程度受比例距離的影響，隨著比例距離的增大型鋼柱爆炸荷載作用下的損傷程度越小。z=0.95 m/kg1/3時，型鋼柱受爆炸荷載柱腳產生剪切破壞，柱腳最大剪切應力為44.4 MPa，跨中最大剪切應力為32.5 MPa，柱頂最大剪切應力34.1 MPa，柱腳被剪斷，跨中產生彎曲變形，型鋼柱繼而發生彎剪破壞。z=1.36 m/kg1/3時，型鋼柱受爆炸荷載產生剪切破壞，跨中發生彎曲變形。z=2.19 m/kg1/3時，型鋼柱受爆炸荷載產生剪切破壞。

在常溫下，型鋼柱發生這些破壞是由于爆炸荷載作用在極短的時間內產生了很大的沖擊力，沖擊荷載作用在型鋼柱表面，跨中產生了彎曲變形。當跨中彎曲位移還沒來得及發展，柱腳的剪切應力就迅速增大到破壞應力時，此時就更容易產生剪切破壞。

型鋼柱溫度為500℃、700℃時，型鋼柱的應力云圖，如圖9 所示。

圖9 500℃和700℃發生爆炸時方鋼柱破壞模式

由圖9 可以發現，隨著比例距離的增大，型鋼柱的破壞程度逐漸減小，主要產生了2 種破壞模式，即z=0.95 m/kg1/3和z=1.36 m/kg1/3時，型鋼柱產生彎剪破壞和z=2.19 m/kg1/3時，型鋼柱產生剪切破壞。z=0.95 m/kg1/3時，在溫度為700℃下，型鋼柱受爆炸荷載破壞比較嚴重，柱腳和柱頭都發生了單元的失效。z=1.36 m/kg1/3時，在溫度為700℃下，4 ms 時柱腳出現單元的消失，最大剪切應力為53.2 MPa，隨后，型鋼柱受爆炸作用柱腳被剪斷，跨中發生較大彎曲變形。z=2.19 m/kg1/3時，型鋼柱受爆炸荷載塑性變形很小，在溫度為700℃下柱腳發生剪切破壞。

當型鋼柱溫度為500℃和700℃時，型鋼柱發生這些破壞的原因是高溫下鋼結構的材料力學性能下降，同時在爆炸荷載的沖擊下，導致型鋼柱的破壞程度比常溫下破壞得嚴重，但破壞模式基本相同。

3.2 H 型鋼柱的破壞模式

為了研究不同截面形式型鋼柱的破壞模式，以柱高H=3.3 m，比例距離z=1.36 m/kg1/3，型鋼柱截面尺寸為500 mm×300 mm×12 mm×16 mm，兩端為固接的型鋼柱為研究對象，分析型鋼柱為500℃、700℃時火災爆炸作用下型鋼柱的破壞模式。火災爆炸作用下H 型鋼柱破壞模式應力云圖，如圖10 所示。

圖10 H 型鋼柱破壞模式應力云圖

結果表明，在型鋼柱為500℃時，火災爆炸作用下型鋼柱柱腳單元失效被剪斷，翼緣發生屈曲，跨中產生較大變形；700℃時，2 ms 時柱腳出現單元消失，最大剪切應力為48.2 MPa，由于鋼結構的材料力學性能下降，柱腳單元嚴重失效，同時翼緣發生破壞。由此可以看出，型鋼柱為500℃、700℃時火災爆炸作用下型鋼柱發生彎剪破壞，與方鋼柱的破壞相同。

為了分析高溫下不同截面鋼結構的安全特性。對比圖9 和圖10 可以發現，當z=1.36 m/kg1/3，500℃下8 ms 時方鋼柱腳發生單元消失，其最大剪切應力為193.5 MPa；4 ms 時H 鋼柱腳單元失效，最大剪切應力為166.6 MPa。H 鋼的破壞先于方鋼，且承受水平剪切能力較差。

4 結論

（1）溫度低于200℃時，型鋼柱發生不可恢復的塑性變形，鋼結構的特性還很穩定；當溫度達到300℃、400℃時，型鋼柱跨中位移達到最大值后迅速下降，型鋼柱達到極限應力時損傷嚴重且在此時結構已經發生失效。

（2）比例距離能有效衡量炸藥的強度，給計算提供了簡便的方法。比例距離對型鋼柱的動力響應較為顯著，在比例距離一定時，應盡量選擇長細比較小的柱子，增大比例距離能有效提高型鋼柱抵抗火災爆炸作用的能力，所以在增強型鋼柱抗火抗爆性能時應先考慮比例距離的影響。

（3）隨著溫度的升高，型鋼材料的力學性能下降，由于耐火能力降低，導致型鋼柱的破壞程度愈加嚴重。型鋼柱主要發生彎剪破壞，即跨中發生彎曲變形產生受彎破壞，柱腳被剪斷發生剪切破壞。結果表明，無論常溫還是高溫，型鋼柱的破壞模式是相同的。且在高溫下，截面形式對型鋼柱的破壞模式影響不大，H 鋼的損傷程度較為嚴重。