近爆作用下鋼筋混凝土柱損傷判據的試驗研究

楊允鍇,武雙章,高振儒,毛益明

(陸軍工程大學野戰工程學院,南京 210007)

鋼筋混凝土因其優異的材料特性和力學性能成為當前建筑結構抗爆設計的首選,研究鋼筋混凝土構件在爆炸荷載作用下的毀傷效應與破壞模式,是研究結構整體倒塌的基礎。常規武器戰斗部爆炸作用于鋼筋混凝土構件上的爆炸荷載較常規荷載具有峰值壓力高、作用時間短、誘發的結構應變率高等特點,可能導致構件發生彎曲破壞、剪切破壞和彎剪破壞等破壞模式[1]。根據爆源參數預估結構物中主要構件的毀傷情況,對建筑物抗爆設計、毀傷評估及火力優化設計具有重要意義。

裝藥在鋼筋混凝土構件近距離爆炸時,其爆轟產物及空氣沖擊波能夠對構件造成毀傷,諸多學者對鋼筋混凝土構件的毀傷規律進行了研究。T. Ngo等[2]利用數值模擬法研究得到了混凝土強度等級對鋼筋混凝土柱抗爆性能的影響規律。張秀華等[3]利用有限元軟件LS-DYNA模擬研究了爆炸荷載參數(峰值超壓、正壓作用時間)與支柱破壞模式間的關系。李國強等[4]使用有限元軟件ANSYS研究了框架柱兩端約束對其在爆炸載荷作用下動力響應的影響。Karns J E等[5]采用試驗方法研究了框架柱在沖擊破壞后,梁、柱交接點的受力、變形與整體框架倒塌之間的關聯。魏雪英等[6]分析了不同截面的鋼筋混凝土柱在不同比例距離下的側向位移和破壞情況的不同。師燕超等[7-8]分析總結了爆炸作用下鋼筋混凝土柱的動力響應及破壞模式,證明破壞模式與鋼筋混凝土柱自身特性和爆炸荷載類型均有關。龔順風等[9]通過數值模擬方法研究了近距離爆炸作用下鋼筋混凝土柱的損傷機理。方秦等[10-13]以Timoshenko梁理論和有限差分方法為依據,給出了定量分析鋼筋混凝土柱在爆炸作用下的動態響應和失效模式的方法。汪維等[14-15]分別對高層框架結構中常見的梁、板構件的縮比模型進行了實爆試驗,并提出了試驗構件的毀傷判據。閆俊伯等[16]采用數值模擬及試驗方法,研究了不同混凝土強度和鋼筋材料參數對鋼筋混凝土柱抗爆性能及破壞模式的影響。張帝等[17]采用鋼筋混凝土排架結構縮比模型進行了實爆試驗與數值模擬,得出排架的關鍵破壞特征為迎爆位置處承重柱的傾覆轉動的結論。Yan Liu等[18]采用單自由度分析法和數值模擬法,探討了軸向荷載、縱向配筋率、橫向配筋率、縱橫比和邊界條件的影響。田力等[19]利用數值模擬方法對比研究了沖擊波單獨作用、破片單獨作用、二者聯合作用下鋼筋混凝土柱的動力響應。Gholipour G等[20]采用數值模擬方法,研究了施加不同沖擊和爆炸荷載對軸向中高層建筑中典型鋼筋混凝土受壓柱破壞行為和動力響應的影響。

現有研究及結論大都是采用了理論分析或數值模擬方法,但裝藥在鋼筋混凝土構件近距離爆炸時,爆炸荷載特性、構件邊界條件及材料特性的復雜程度超出理論分析法的適用范圍;而數值模擬法的結果與計算軟件、模型網格尺寸、計算方法及材料模型參數的選取都有很大關系,在缺乏試驗驗證的情況下其有效性有待商榷。而大尺度鋼筋混凝土結構及構件的毀傷試驗,因安全風險大、成本昂貴,現階段可參考的成果不多。

為研究鋼筋混凝土柱在炸藥近距離爆炸作用下的損傷,以鋼筋混凝土排架結構支撐柱及抗風柱的縮比模型為試驗對象,充分考慮排架結構中支柱的邊界條件,進行了10次獨立的大尺度爆炸試驗研究,觀測試驗構件在爆炸荷載作用后的破壞效果與毀傷特征,分析了部分影響鋼筋混凝土柱毀傷程度的因素,初步建立了鋼筋混凝土柱的毀傷判據,提出了鋼筋混凝土柱破壞等級的劃分依據,為理論分析及數值模擬研究提供驗證,為鋼筋混凝土排架結構整體毀傷研究奠定基礎。

1 試驗設計

1.1 試件設計

考慮工程運用的實際情況,以最常見的鋼筋混凝土單層排架結構大型工業廠房中的支撐柱及抗風柱為原型進行研究,其截面尺寸分別為600 mm×1 000 mm(寬B0×長L0)和600 mm×600 mm(寬B1×長L1),高度H均為15 000 mm,截面配筋率分別為ρ0=0.9%,ρ1=1.0%,兩種試驗構件的截面配筋如圖1所示。鋼筋混凝土柱使用C30混凝土材料,其軸心抗壓強度fc=30 MPa,密度ρc=2 300 kg/m3,泊松比υc=0.2;選用了HRB400牌號的縱筋及箍筋,彈性模量Es=2.0×105MPa,屈服強度標準值fyk=400 MPa,極限強度標準值fstk=540 MPa,總伸長率極限值δgt=7.5%。

圖1 單層排架結構典型支柱截面及其配筋Fig.1 Sections and reinforcements of typical columns in single layer shelving structure

考慮試驗的成本及安全風險問題,采用1∶3的比例對原型構件進行縮尺設計,按照框架結構強度模型相似率原理,縮尺設計時應保證鋼筋混凝土支撐柱的截面承載力等比例縮小。我國現行《混凝土結構設計規范》GB 50010-2010中鋼筋混凝土構件正截面承載力的計算主要與截面尺寸和配筋率相關,結合配筋及保護層厚度的設計規范,確定縮比模型柱的截面尺寸分別為300 mm×400 mm(寬b0×長l0)和300 mm×300 mm(寬b1×長l1),截面配筋率分別為ρ′0=1.3%,ρ′1=1.8%,試驗鋼筋混凝土柱混凝土保護層厚度c=35 mm,高度h=5 000 mm,截面配筋形式如圖2所示。模型柱的材料選用與原型一致。

圖2 試驗支柱的截面及配筋Fig.2 Sections and reinforcements of experimental columns

1.2 裝藥設計

選取某系列航空炸彈為研究對象,包含1 000磅級和2 000磅級等規格,其戰斗部裝藥均可近似為圓柱形,長徑比L/D≈5.5。裝藥近距離爆炸時,空氣沖擊波的正壓作用時間t+通常小于鋼筋混凝土柱的自振周期T,故按照沖量相似原理對戰斗部進行縮尺設計,試驗藥量確定為10 kg及20 kg,裝藥形狀為圓柱形,長徑比L/D=5.5。同時選用5 kg及10 kg球形裝藥進行對照試驗。試驗裝藥采用熔鑄TNT炸藥,密度為ρTNT=1 630 kg/m3。

圖3 裝藥布設Fig.3 Explosive charge device

1.3 現場布置

柱的抗爆能力明顯強于墻壁等圍護結構,且圍護結構不會將爆炸荷載傳達到支柱上[21],因此在野外試驗場區營建了單層鋼筋混凝土整體框架結構的主要承重構件(柱、梁、基礎與屋架等),以更好地模擬實際框架結構中柱的初始邊界條件。現場布置如圖4所示。

圖4 試驗構件的布置Fig.4 Layout of experimental columns

1.4 工況設計

為保證試驗的經濟性、高效性,綜合正交試驗設計法并考慮實際情況,設計了10種不同工況的爆炸試驗(見表1)。

表1 鋼筋混凝土支柱試驗設計

2 試驗結果

2.1 不同形狀裝藥爆炸對支撐柱的破壞作用

同比例距離條件下,進行支撐柱在圓柱形、球形TNT炸藥爆炸作用下的對比試驗。1～4炮次試驗中鋼筋混凝土柱的損傷情況及試驗結果分別如表2和表3所示。

表2 1～4炮次鋼筋混凝土柱損傷情況

表3 1～4炮次試驗結果(迎爆中心區域)

由第1炮試驗結果可以看出,1A柱發生彎剪破壞,柱存在明顯的剩余位移,兩端發生剪切破壞;迎爆部位混凝土完全破壞,側面及背爆面混凝土保護層大量崩落,剩余混凝土有裂縫分布。縱筋及箍筋露出,出現明顯變形及破壞。此時支撐柱1A使用功能完全喪失,無法修復,柱遭受完全毀傷。

由第2炮試驗結果可以看出,2A柱發生彎曲破壞;迎爆面中央呈帶狀區域混凝土保護層未破壞,兩側混凝土保護層呈三角錐狀破壞脫落;背爆面兩側混凝土脫落大于中央區域;箍筋內部核心混凝土有少量破碎和裂紋?？v筋、箍筋暴露,但未發生變形及破壞。此時柱難以通過維修加固繼續使用,支撐柱2A遭受到重度破壞。

由第3炮試驗結果可以看出,3A柱受到明顯的彎曲破壞,其試驗結果與2A柱相似,但箍筋內部核心混凝土破碎更加嚴重,支撐柱3A受到重度破壞。

由第4炮試驗結果可以看出,4A柱僅發生表面破壞,柱整體無剩余位移;迎爆面中央帶狀區域混凝土保護層未破壞,僅兩側混凝土部分脫落,右側縱筋及箍筋露出;側面混凝土保護層呈倒三角錐狀破壞脫落,剩余混凝土表面有呈三角錐形式的裂紋向背爆面延伸;背爆面有裂紋橫貫背爆面;核心混凝土未破碎。此時柱的使用受到一定限制,經過維修加固后可以繼續使用,支撐柱4A受到中度破壞。

2.2 不同支柱類型的抗爆性能差異

在相同裝藥形狀和相同比例距離工況下,對抗風柱抗爆性能進行第5、6炮次試驗,分別與3、4炮次試驗結果進行對比,研究不同支柱類型鋼筋混凝土支柱抗爆性能的差異。5、6炮次試驗中鋼筋混凝土柱的毀傷結果及毀傷情況分別如表4和表5所示。

表4 5、6炮次試驗結果(迎爆中心區域)

表5 5、6炮次鋼筋混凝土柱毀傷情況

由第5炮試驗結果可以看出,5B柱受到明顯的彎曲破壞;迎爆面混凝土保護層呈倒三角錐狀破壞脫落;側面的混凝土大量崩落,剩余混凝土表面有呈三角錐狀的裂紋;背爆面混凝土兩側混凝土崩落長度大于中央區域;縱筋、箍筋暴露,但未受到到嚴重破壞;箍筋內部核心混凝土大量破碎,有向背爆面延伸的裂紋。此時柱難以通過維修加固繼續使用,抗風柱5B受到重度破壞。

由第6炮試驗結果可以看出,6B柱受到表面破壞,迎爆面中央帶狀區域混凝土沒有破壞,僅兩側混凝土呈倒三角錐狀崩落;背爆面未出現混凝土的破碎崩落,有橫貫背爆面裂紋;縱筋及箍筋暴露,但沒有明顯的破壞;核心混凝土未發生破碎。此時柱需要一定維修加固方能繼續使用,抗風柱6B受到中度破壞。

2.3 圓柱形裝藥對支撐柱的毀傷效果

采用圓柱形裝藥,測試了不同比例距離工況條件下支撐柱的毀傷情況。第1炮、第2炮分別對支撐柱造成了完全毀傷和重度毀傷。7～10炮次試驗中鋼筋混凝土柱的毀傷結果及毀傷情況分別如表6和表7所示。

表6 7～9炮次試驗結果(迎爆中心區域)

表7 7～9炮次鋼筋混凝土柱毀傷情況

由第7炮試驗結果可看出,7A柱受到較為明顯的彎曲破壞;迎爆面混凝土保護層呈倒三角錐狀開坑破壞;側面混凝土大量脫落,剩余混凝土表面可見倒三角錐狀裂紋;背爆面混凝土保護層部分破碎崩落;部分縱筋、箍筋露出,但未受到明顯破壞;箍筋內部核心混凝土破碎并出現裂紋。此時柱難以通過維修加固繼續使用,支撐柱7A遭受到重度破壞。

由第8炮試驗結果可看出,8A柱發生明顯的表面破壞,迎爆中心位置有少量剩余位移;迎爆面混凝土呈倒三角錐狀開坑破壞;側面混凝土出現明顯的破碎剝落,剩余混凝土表面出現裂紋;背爆面混凝土兩側破壞大于中央區域;縱筋及箍筋暴露,但未受到明顯破壞;箍筋內部核心混凝土未發生破碎。此時柱經過維修加固仍能繼續使用,支撐柱8A遭受中度破壞。

由第9炮試驗結果可看出,9A柱受到明顯的表面破壞。柱的損傷特征與8A相似,此時柱通過維修加固仍能繼續使用,支撐柱9A受到中度破壞。

第10炮幾乎未造成支撐柱的混凝土毀傷剝落,使用功能未受影響,毀傷程度為輕度毀傷,試驗結果不再給出。

3 結果與討論

3.1 鋼筋混凝土柱破壞模式

鋼筋混凝土柱在裝藥爆炸產物及沖擊波作用下受壓迅速變形彎曲,迎爆面混凝土材料因裝藥爆炸而承受巨大壓力荷載出現壓縮破壞,其兩側因臨空面的存在,較中央區域更易破碎脫落;背爆面因柱的彎曲變形受到拉伸,抗拉強度較低的混凝土材料迅速出現拉伸斷裂破壞,出現裂紋甚至混凝土破壞崩落,加之柱內部壓縮應力波傳至背爆面反射形成的強拉伸波,形成層裂效應,進一步造成背爆面及側面混凝土的破碎崩落。隨著比例距離的逐漸減小,鋼筋混凝土柱的破壞模式逐漸由柱無明顯剩余位移,側面及背爆面保護層出現裂紋的表面破壞,逐漸轉變為柱迎爆區域塑性變形嚴重,混凝土保護層大量破壞,箍筋內部核心混凝土出現不同程度破碎及裂紋,支柱出現剩余位移的彎曲破壞;最后轉變為保護層及核心混凝土均嚴重破壞,柱腳、柱頭發生剪切破壞,支柱整體發生明顯彎曲變形的彎剪破壞。

3.2 裝藥形狀對柱毀傷效果的影響

通過1A與2A、3A與4A柱毀傷結果的對比可以看出:近距離爆炸時,裝藥形狀能夠影響鋼筋混凝土柱的毀傷效果,且圓柱形裝藥的毀傷效果大于球形裝藥,破壞程度差異如表8所示。

表8 鋼筋混凝土柱破壞程度

破壞程度產生差異的原因是相同藥量裝藥爆炸產生的總能量相同,而球形裝藥與圓柱形裝藥爆炸能量分布不同:球形裝藥的沖擊波是同時向四面八方傳播的,可認為能量均布于球面上;而在比例距離較小的范圍內,可認為圓柱形裝藥的爆炸能量均布于與裝藥形狀相似的圓柱體表面上,對于長徑比較大的圓柱形裝藥其側面面積遠大于兩端面面積之和,故炸藥爆炸產生的能量也將集中分布于裝藥側面方向。因此試驗中圓柱形裝藥對鋼筋混凝土支撐柱的毀傷效果更加明顯。

3.3 鋼筋混凝土支柱類型對毀傷效果的影響

表9 鋼筋混凝土柱破壞程度

3.4 鋼筋混凝土支撐柱的毀傷判據

表10 鋼筋混凝土柱試驗結果

3.5 破壞等級劃分

為了判斷鋼筋混凝土支撐柱的破壞等級,在試驗數據的基礎上,采用支座轉角θ作為劃分依據,將支撐柱的破壞等級劃分如下:θ<0.5°,輕度破壞,破壞形式為少量表面混凝土破壞,鋼筋混凝土柱力學性質幾乎未受影響,不影響其繼續使用;0.5°≤θ<1.5°,中度破壞,鋼筋混凝土柱迎爆位置開始出現剩余位移,側面混凝土呈倒三角錐狀破壞,背爆面出現裂紋,柱的承重能力有所降低,經簡單維修可繼續使用;1.5°≤θ<5°,重度破壞,混凝土材料遭受明顯的彎曲破壞,縱筋、箍筋暴露并受到破壞,使用功能受到嚴重限制,承重能力難以通過維修恢復;θ≥5°,完全毀傷,核心混凝土破碎,箍筋散開,鋼筋混凝土柱喪失使用功能。支座轉角與破壞等級劃分的關系如圖5所示。

圖5 鋼筋混凝土柱的破壞等級Fig.5 Failure grade of reinforced concrete columns

4 結論

1)鋼筋混凝土柱在裝藥近距離爆炸荷載作用下,隨著比例距離的減小,柱的破壞程度逐漸增加,柱的破壞模式可分為表面破壞、彎曲破壞及彎剪破壞。

2)裝藥近距離爆炸時,裝藥形狀能夠顯著影響對鋼筋混凝土柱的毀傷效果,相同工況下圓柱形裝藥造成的破壞程度明顯大于球形裝藥;支柱類型能夠影響柱的毀傷程度,相同工況條件下,鋼筋混凝土支撐柱的抗爆能力強于抗風柱。

4)采用支座轉角θ作為鋼筋混凝土柱破壞等級的劃分依據:θ<0.5°,輕度破壞,鋼筋混凝土柱力學性質幾乎未受影響,不影響其繼續使用;0.5°≤θ<1.5°,中度破壞,柱的承重能力有所降低,經簡單維修可繼續使用;1.5°≤θ<5°,重度破壞,柱使用功能受到嚴重限制,承重能力難以通過維修恢復;θ≥5°,完全毀傷,鋼筋混凝土柱喪失使用功能。

但需注意的是,此次毀傷判據及破壞等級劃分適用于本試驗構件的研究,要獲得普適性的毀傷判據,需要進行更多工況的試驗研究,或結合理論推導或數值模擬的方法研究后提出。試驗結果可為相應的理論分析及數值模擬研究提供參考和驗證,為鋼筋混凝土結構廠房連續性倒塌研究奠定基礎。