二次內爆作用下鋼筋混凝土結構累積毀傷研究

摘要：鋼筋混凝土結構是常見的建筑結構形式，其內部爆炸的毀傷效應研究具有十分重要的現實意義.本研究通過與試驗數據對比，驗證了鋼筋混凝土結構有限元建模方法的準確性.基于此方法，建立了2/3縮比的鋼筋混凝土剪力墻結構有限元模型，分析不同房間單獨爆炸作用下頂板和剪力墻構件的破壞模式和動力響應，以及兩個房間連續爆炸后的累積毀傷發展規律.研究表明：采用1 kg TNT單獨爆炸時，毀傷主要發生在沿頂板的塑性鉸線方向和墻板構件的連接支座處，頂板的破壞程度、位移和加速度響應均顯著高于剪力墻，房間二和房間三頂板中心峰值位移分別達到41.5 mm和63.1 mm，殘余位移分別為32.2 mm和46.1mm；兩個房間連續爆炸工況下，對于強度較低、初始毀傷較大的板構件，二次連續內爆作用下的累積毀傷明顯高于單獨爆炸的毀傷線性疊加，房間二和房間三的頂板中心峰值位移分別高出133.6%和24.9%，殘余位移分別高出144.6%和29.4%，因此必須考慮累積毀傷效應；但是，對于強度較高、初始毀傷較弱的墻構件，二次連續爆炸作用下的累積毀傷略微高于單獨爆炸的毀傷線性疊加，可認為二者近似相等，此情況下可不考慮累積毀傷效應的影響.

關鍵詞：鋼筋混凝土；有限元法；連續爆炸；累積毀傷；動態響應

中圖分類號：TU375 文獻標志碼：A

鋼筋混凝土結構作為日常生活中最為常見的結構形式，不僅是軍事作戰行動中的重點打擊目標，也有可能因為燃氣泄漏、粉塵爆炸等事故造成大面積的破壞.目前外部爆炸相關研究較多聚焦于單個構件的動態響應［1-3］以及拆除構件對整體結構的影響［4-5］，Xiao等［6］對帶山墻屋頂的兩層鋼筋混凝土和磚石建筑外部爆炸進行試驗和數值模擬研究，觀測了建筑表面超壓和沖量荷載的分布.但是當爆炸發生在結構內部時，沖擊波會受到結構內壁限制和影響，表現出與自由場爆炸不同的傳播形式和更復雜的作用規律［7］.針對結構內爆問題，國內外學者開展了大量的研究，主要集中在內爆條件下構件表面爆炸荷載分布規律和簡化計算方法［8-9］.對于內爆造成的破壞模式研究，龔順風等［10］模擬了內爆作用下鋼筋混凝土板從混凝土開裂、鋼筋斷裂到板整體拋射的動態過程；曹宇航等［11］模擬了單層框架-砌體墻結構不同藥量內部爆炸下砌體墻墻體的毀傷失效模式，并給出了雙向固支砌體墻開裂時，斜向裂縫的形成角度.以上研究表明，內部爆炸是結構毀傷分析中一種作用復雜且不可忽視的重要荷載形式.

此外，在實際作戰中，為實現較強的毀傷效能，對于同一建筑目標往往會進行多次打擊，并且當燃氣泄漏、粉塵爆炸等突發事故第一次發生后，易在結構中引發二次或多次爆炸，因此研究二次或多次爆炸荷載下的結構響應及破壞規律具有重要意義.葉紅宇［12］完成了兩種強度混凝土試塊的多次爆破試驗，發現試塊表面不同測點處的損傷值發展與爆炸次數之間呈現出不同的規律；陳勇等［13］根據鋼筋混凝土板的重復爆炸試驗，得出與裝藥量、板厚和爆心高度有關的臨界震塌和貫穿系數；陳旭光［14］以試驗方式探究了爆炸次數和載荷方向對梁構件的影響，得出第二次同向加載會使構件破壞加重，第二次反向加載則會使構件出現相反方向的輕度彎曲；Sung等［15］提出了一種連續爆炸作用下的鋼筋混凝土板的抗力函數和等效單自由度計算方法；崔皓等［16］運用數值模擬方法，揭示了隨沖擊次數和邊界約束能力改變，不同失效模式的轉化過程；Xu等［17］對梁構件連續爆炸的試驗結果表明，兩次爆炸的累積毀傷大于總當量相同的炸藥單次爆炸結果；柏準等［18］的剪力墻結構多次內爆試驗表明，相較于未毀傷構件，剪力墻構件抵抗后續變形能力與其初始毀傷的程度有關.現階段，國內外關于累積毀傷的研究主要針對構件層次，但是構件在實際結構中所受約束情況更為復雜，結構中不同位置的同類構件動態響應也有所不同，因此有必要開展整體結構在多次內爆作用下的累積毀傷效應研究.