聚脲噴涂加固鋼筋混凝土柱抗爆性能分析

吳東 劉志鵬 張瑞云 李晨 唐麗君

摘要：文章應用LS-DYNA有限元軟件建立聚脲噴涂加固鋼筋混凝土柱三維數值模型，對比分析聚脲噴涂對鋼筋混凝土柱抗爆性能的影響，考慮聚脲厚度和炸藥量的影響，對聚脲抗爆加固效果進行參數分析。研究結果表明：建立的三維有限元分析模型具有良好的精度，隨著聚脲厚度的增加，鋼筋混凝土柱抗爆性能逐漸增強，隨著爆炸距離的逐漸增大，聚脲材料吸收能量逐漸減小。

[作者簡介]吳東（1974—），男，本科，高級工程師，主要從事建筑結構、材料的研究、建筑材料檢測和結構安全評估工作。

在建筑工程中，在混凝土結構周邊設置噴涂防護是保護其免受沖擊和爆炸襲擊或降低其沖擊和爆炸破壞程度的重要途徑之一。不少學者對工程抗爆設計方法和結構防爆中鋼筋、鋼骨混凝土柱以及相應的加固效果進行了大量研究[1-6]。隨著材料科學的不斷進步，聚脲彈性體已被逐漸應用于建構筑物抗爆加固中[7]。聚脲彈性體抗爆多用于軍用領域，而對民用交通領域的研究較少。聚脲材料具有高強度、高延性、高承載能力的特點，并且具有良好的耗能能力。本文首先建立鋼筋混凝土柱抗爆性能分析模型，并驗證模型的正確性，之后分析聚脲加固鋼筋混凝土柱的抗爆性能，最后考慮炸藥量、聚脲厚度的影響，對聚脲材料加固效果進行分析。

1 爆炸試驗數值模型

1.1 試驗介紹

考慮爆炸試驗經濟性和安全性，同時有限元技術的飛速發展，將有限元模型應用于爆炸分析已成為一種經濟有效的手段。利用ANSYS/LS-DYNA有限元軟件對噴涂聚脲鋼筋混凝土柱的抗爆性能進行了研究。核實）數值模型的合理性與精度，將數值模型模擬結果與文獻[8]中試驗對比。爆炸試驗如圖1所示，鋼筋混凝土柱尺寸如圖2所示，混凝土立方體抗壓強度為38.5 MPa。縱向鋼筋為HRB400級，鋼筋屈服強度為400 MPa，鋼筋直徑16 mm，每邊4根;箍筋為HPB300級，鋼筋屈服強度為300 MPa，鋼筋直徑12 mm，柱子底端和頂端箍筋間距為100 mm，中部間距為150 mm。鋼筋混凝土柱低端固定，頂端約束水平方向移動。試驗中TNT裝藥質量為1 kg，炸藥接觸放置于鋼筋混凝土柱底部，炸藥中心距離地面330 mm。

1.2 材料模型

爆炸數值模型中主要涉及材料有炸藥、空氣、混凝土、鋼材和聚脲。

炸藥材料采用高能炸藥模型HIGE_EXPLOSIVE_ BURN和Jones-Wilkins-Lee（JWL）狀態方程，等熵表達式為：

式中：P為爆轟壓力，V=ν/ν0為相對體積，ν為爆轟產物體積，ν0為炸藥初始體積，E0為初始內能密度，A、B、R1、R2與ω為與炸藥性質有關的參數，由實驗求得，參數見表1。

混凝土材料是應變率敏感材料，應變率效應可以通過輸入動力增大系數（DIF）與應變率的曲線來考慮。按公式[10]計算混凝土抗壓強度動力增大系數。混凝土采用73號K&C模型MAT_CONC-RETE_DAMAGE模擬。

式中：ε·d為應變率，fcd為混凝土在應變率為ε·d時的動態抗壓強度，fcs為混凝土靜態抗壓強度，圖3為動力增大系數與應變率的關系。表3為混凝土材料參數。通過添加MAT_ADD_EROSION關鍵字來刪除失效的混凝土單元。通過設置最大失效應變來定義混凝土單元失效，由于材料失效單元應變與有限元模型的單元尺寸及應變率有關，雖然選取最大失效應變的失效準則已在數值模擬中廣泛應用，但其取值并無統一規定，本文選取0.001作為混凝土單元的失效應變[9]。

空氣采用材料模型MAT_NULL和線性狀態方程LINEAR_POLYNOMINAL進行模擬，其線性多項式狀態方程為：

式中：P為爆轟壓力，E0為初始內能密度，μ為空氣壓縮程度，C0、C1、C2、C3、C4、C5、C6為常數，表2為詳細參數取值。

鋼筋使用隨動塑性材料模型MAT_PLASTIC_KINEMATIC，通過Cowper-Symonds模型中的參數C和P來考慮應變率的影響，表4[9]為鋼筋材料參數。

聚脲采用多段線性材料模型MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY，聚脲模型參數如表5所示。

1.3 有限元模型

建立的鋼筋混凝土柱爆炸試驗模型如圖3所示，其中混凝土、空氣、炸藥和聚脲采用Solid164單元，鋼筋采用beam161單元[2]。由于與結構響應時間相比，爆炸時間極短，因此將鋼筋和混凝土視為普通接頭。為了消除空氣邊界反射對計算結果的影響，建立了一個200 cm×110 cm×100 cm的大空氣域。空氣域邊界設置為無反射邊界。鋼筋混凝土柱底部為固定邊界，頂部為約束水平位移，與試驗條件相同。通過關鍵字SET_PART_LIST將空氣與炸藥設置為一個PART集合，將鋼筋、混凝土與聚脲設置為一個PART集合，然后通過關鍵字ALE_MULTIMATERIAL_GROUP和CONSTRAIN_LANGRANGE_IN_SOLID實現流固耦合。TNT裝藥質量為1 kg，鋼筋和混凝土網格尺寸為3 cm，炸藥和空氣網格尺寸為1 cm，模型計算時間為5 000 μs，為分析聚脲抗爆加固效果，在柱子底部1.5 m范圍內添加聚脲，聚脲厚度為1 cm，聚脲網格尺寸為1 cm。

2 數值模型驗證及加固效果分析

2.1 數值模型驗證

通過對比爆炸試驗和數值模擬中鋼筋混凝土柱的破壞模式和尺寸，驗證了數值模型的正確性。圖4顯示了爆炸試驗后鋼筋混凝土柱的損壞情況。圖5為數值模擬計算結果，對比圖4和圖5可知，計算結果與實驗結果破壞形態吻合較好，數值模型具有良好的效果。

圖5為模擬中鋼筋混凝土柱的破壞情況和破壞尺寸，與試驗結果相近。模型中迎爆面混凝土柱破壞面沿著柱高度為433.4 mm，寬度為115.2 mm，厚度為10.3 mm。模型中背爆面混凝土柱破壞面沿著柱高度為332.8 mm，寬度為400 mm，厚度為13.3 mm。

2.2 加固效果分析

圖6為聚脲噴涂鋼筋混凝土柱破壞情況，由圖6可知，炸藥附近迎爆面均發生破壞，同時內部混凝土也發生部分損傷，聚脲破壞面類似圓形，直徑約為200 mm，背爆面聚脲發生一定的膨脹變形。與未加固鋼筋混凝柱相比，鋼筋混凝土柱迎爆面損傷面積減小，迎爆面損傷高度為170 mm，厚度為60 mm，兩側面和背爆面均未發生明顯損傷，加固效果顯著。然而在爆炸沖擊波荷載作用下，鋼筋混凝土柱X向最大位移為21.3 mm，可見聚脲噴涂對鋼筋混凝土柱抗彎剛度影響較小。

圖7為鋼筋混凝土柱迎爆面測點1和背爆面測點2的沖擊波壓力時程曲線，由圖7可知，迎爆面測點1沖擊波壓強達到1 800 MPa，背爆面測點2沖擊波壓強達到4.5 MPa，且均出現負壓情況。

圖8給出了爆炸荷載作用下鋼筋混凝土柱的損傷情況，由圖8可知，迎爆面聚脲和混凝土損傷較為嚴重，鋼筋混凝土柱其他部位損傷較小。

3 參數分析

應用有限元分析模型，考慮爆距和聚脲加固厚度的影響，對聚脲加固鋼筋混凝土住抗爆性能進行參數分析。

3.1 不同爆距抗爆分析

3.1.1 不同爆距壓強-時程曲線

根據圖9可知，當炸藥距離為0.5 m時，爆炸時間為0.6 ms，迎爆面最大壓強為3.44 MPa，背爆面最大壓強為1.45 MPa。當炸藥距離為1 m時，迎爆面最大壓強為1.2 MPa，背爆面最大壓強為1.0 MPa。當爆炸距離為1.5 m時，隨著炸藥距離的逐漸增大，混凝土柱迎爆面和背爆面沖擊壓強逐漸減小;根據計算結果可知，在混凝土背爆面上均出現明顯的負壓現象。

3.1.2 不同爆距柱子位移-時程曲線

圖10為不同爆炸距離混凝土柱變形-時間曲線。當爆炸距離為貼爆0.5 m、1 m和1.5 m時，變形大小分別為6.67 mm、0.23 mm、0.15 mm和0.05 mm。由圖10可知，隨著爆炸距離的逐漸增大，混凝土柱變形逐漸減小。

3.1.3 不同爆距聚脲吸收沖擊波能量大小

圖11為不同爆炸距離下，加固層聚脲吸收沖擊波能量的大小。由圖11可知，隨著距離的不斷增大，聚脲吸收能量逐漸降低。主要原因在于，爆炸沖擊波是以球面波的形式進行傳播，當距離較大時，在傳輸過程中能量向四周消散。聚脲層吸收的爆炸沖擊波能量較少。

3.2 不同聚脲厚度抗爆分析

3.2.1 不同聚脲厚度吸收沖擊波能量大小

圖12為對于不同聚脲厚度時，聚脲吸收爆炸沖擊波能量大小，由圖12可知，當聚脲厚度為1 mm、2 mm、5 mm和10 mm時，能量大小分別為3.9 kJ、10.3 kJ、50.3 kJ和164.1 kJ。可見，隨著聚脲厚度的逐漸增大，其吸收的能量逐漸增大。聚脲物質具有高韌性和高強度的優點，具有良好的耗能能力。

3.2.2 不同聚脲厚度混凝土柱損傷情況

圖13為不同聚脲厚度在相同TNT當量下混凝土柱損傷情況，由圖可知，隨著聚脲加固厚度的逐漸增大，混凝土柱損傷逐漸減小。

4 結論

通過上述分析，得到結論：

（1）建立的聚脲加固鋼筋混凝土柱三維模型較為合理，能夠為聚脲加固鋼筋混凝土柱抗爆效果提供參考。

（2）隨著爆距的逐漸增大，加固后鋼筋混凝土柱的損傷和變形逐漸減小，聚脲吸收能量逐漸變小。

（3）隨著聚脲厚度逐漸增大，鋼筋混凝土柱損傷變形逐漸減小，聚脲具有良好的加固效果。

參考文獻

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