爆炸荷载作用下钢筋混凝土柱的动力响应与破坏模式

第29卷第4期2008年8月

文章编号:100026869(2008)0420112206

建　筑　结　构　学　报

JournalofBuildingStructures

Vol129,No14Aug12008

爆炸荷载作用下钢筋混凝土柱的

动力响应与破坏模式

师燕超,李忠献

(天津大学建筑工程学院,天津300072)

摘要:在爆炸荷载作用下,钢筋混凝土构件和结构的动力响应较之地震荷载和静态荷载作用下要复杂得多。运用有限元显式动力分析软件LS2DYNA,建立了典型钢筋混凝土柱的三维有限元模型,该模型对钢筋混凝土采用分离式建模,并且考虑了材料的应变率效应和钢筋与混凝土间的粘结滑移。在该有限元模型的基础上,通过对爆炸荷载作用下钢筋混凝土柱动态响应的数值模拟,研究了钢筋混凝土柱在爆炸荷载作用下可能的破坏模式及其规律。同时,运用参数化分析方法,研究了截面惯性矩、混凝土轴心抗压强度、纵筋配筋率和配箍率等参数对钢筋混凝土柱在爆炸荷载作用下的动态响应的影响,在数值模拟结果的基础上,分析提出了钢筋混凝土柱抗爆设计时应当注意的问题。研究结果表明:在爆炸荷载作用下,钢筋混凝土柱的破坏模式不仅和自身的特性有关,还取决于爆炸荷载的类型。,能够显著降低钢筋混凝土柱在爆炸荷载作用下的柱中水平位移,从而提高其抗爆性能土柱的抗爆性能。

关键词:钢筋混凝土柱;爆炸荷载;有限元分析;参数分析;;中图分类号:TU37513　TU31211　TU311141　　andfailuremodesof

columnsunderblastloading

SHIYanchao,LIZhongxian

(SchoolofCivilEngineering,TianjinUniversity,Tianjin300072,China)

Abstract:Thedynamicresponseofreinforcedconcrete(RC)memberandstructureunderblastloadingismuchmorecomplicatedthanthatunderotherloadingssuchasearthquakeloadingandstaticloading,sincetheblastwavepropagatesfastandtheloadactingonthestructureappearsatthepeakvalueforashortduration.Inthispaper,3DnumericalmodelsoftypicalRCcolumnsareestablishedbyusingsoftwareLS2DYNA.Inthemodel,thesteelbarandconcretearemodelledseparately,andthebondslipbetweenthemisconsidered.Thestrainrateeffectsofthetwomaterialsarealsoincludedinthenumericalmodel.Basedonthemodel,numericalsimulationsarecarriedouttolearnthepossiblefailuremodesofRCcolumnunderblastloading.Parametricstudiesarealsoadoptedtoinvestigatetheeffectsofmomentofsectioninertia,concretestrength,longitudinalandtransversereinforcementratioonthedynamicresponseofRCcolumnunderblastloading.SomesuggestionondesigningtheRCcolumntoresistblastloadsisproposedbasedonthenumericalresults.ItisfoundthatthefailuremodesofRCcolumnunderblastloadingdependnotonlyonthecolumnproperties,butalsoontheblastloadingtype.Theresultsalsoshowthatbyincreasingthemomentofsectioninertiaandconcretestrength,thelateraldisplacementofmidRCcolumncanbedramaticallydecreasedunderblastloads;byincreasingthemomentofsectioninertia,concretestrengthandtransversereinforcementratio,theblastresistantcapacityoftheRCcolumncanbeincreased.

Keywords:reinforcedconcretecolumn;blastload;FEA;parametricstudy;dynamicresponse;failuremode

基金项目:国家自然科学基金重点项目(50638030),国家科技支撑计划重点项目(2006BAJ13B02),天津市应用基础和前沿技术研

究计划重点项目(08JCZDJC19500)。

作者简介:师燕超(1982—　),男,河南淮阳人,博士研究生。收稿日期:2007年2月

11

2

0　引言

近些年来,世界范围内恐怖袭击和意外爆炸事件不断发生,在造成严重的人员伤亡和经济损失的同时,还造成了恶劣的政治和社会影响。因此,爆炸荷载作为一种非常规荷载,在世界范围内越来越受到工程设计人员的重视。钢筋混凝土结构因其优异的力学性能和较高的质量密度成为当前建筑结构抗爆设计的首选,研究钢筋混凝土梁、板、柱等结构构件及整个结构在爆炸荷载作用下的动力响应和破坏模式,对于提高钢筋混凝土结

[1]

构的抗爆安全性具有重要的理论意义和工程价值。

由于爆炸荷载具有传播速度快、峰值大、作用时间短等特点,爆炸冲击荷载作用下钢筋混凝土构件和结构的动力响应十分复杂。近年来国内外学者对钢筋混凝土构件在爆炸荷载作用下的动力行为开展了一系列的

[2]

研究,如Sun等对钢骨混凝土柱在爆炸荷载作用下的动力特性进行了分析,得出了钢骨混凝土柱较之普通混凝土柱在抵抗爆炸冲击荷载方面更具优势的结论;杜林[3]

等运用LS2DYNA程序对钢管混凝土短柱的抗爆性能进行了有限元数值模拟,的韧性和牢固性,从而改善结构的;[4]

等本文采用非线限元显式动力分析软件LS2DYNA,对钢筋混凝土柱在爆炸荷载作用下的动态响应进行了数值模拟,在大量有限元模拟结果的基础上,分析了钢筋混凝土柱在典型爆炸荷载作用下的动力响应特征和破坏模式。同时,运用参数化分析方法,研究了截面惯性矩、混凝土轴心抗压强度、纵筋配筋率和箍筋配筋率等参数对钢筋混凝土柱在爆炸荷载作用下动态响应的影响,在数值模拟结果的基础上,分析提出了钢筋混凝土柱抗爆设计时应当注意的问题。

图1　钢筋混凝土柱的有限元模型Fig.1　NumericalmodeloftheRCcolumn

型中包括了柱头和柱脚(图1a)向的位移被约束,荷载,,爆,实际上爆

[526]

,也不是真正的三角形荷载,但在爆炸不是近距离接触爆炸的情况下,这一假定被广

[728]

泛接受。111　材料模型

如图1b所示,本文采用钢筋混凝土分离式模型,混凝土采用LS2DYNA中的MAT_CONCRETE_DAMAGE_REL3(MAT72),钢筋采用MAT_PLASTIC_KINEMATIC

[9]

(MAT3)。钢筋和混凝土材料在爆炸荷载的快速作用

-1-1[10]

下,会经历高达10s～1000s的应变率。在这种高应变率情况下,钢筋的强度能够提高50%,混凝土的抗压强度能够提高100%,抗拉强度甚至能提高到

[10211]

600%,因此,本文同时考虑了钢筋和混凝土的应变率效应。材料的应变率效应通常用材料强度的动力增大系数DIF(DynamicIncreaseFactor)来表示,DIF定义为在某一应变率下材料的动力强度与静力强度之比。

[12]

钢筋强度的DIF采用K&C模型

DIF=

1　有限元模型的建立

运用通用有限元显式动力分析软件LS2DYNA,建立了典型钢筋混凝土柱的有限元模型,如图1所示。图中,b为柱面向爆炸波方向的截面宽度;h为柱截面高度;a为混凝土保护层厚度;H为柱净高;s为箍筋间距。

混凝土用25mm的单积分点正六面体单元来模拟,纵筋和箍筋均用长度为25mm的梁单元模拟,数值模拟结果发现,进一步细化网格只能够有限地提高计算精度,但计算成本成倍增加,因此,本文中无论是正六面体单元还是梁单元,均采用25mm的网格尺寸。

为了准确模拟钢筋混凝土柱的边界条件,

有限元模

ε

10

-4

α

,α=01074-01040

fy

414

(1)

-1-4-1-1

式中,ε为钢筋的应变率(s),10s≤ε≤255s;fy为钢筋屈服强度(MPa),290MPa≤fy≤710MPa。

混凝土强度的动力增大系数DIF也采用K&C模

[10]

型,该模型是在CEB模型的基础上经过改进得来的。混凝土抗拉强度动力增大系数TDIF由式(2)、(3)确定。

TDIF=

ftdfts

ε -

1= 　　　(εd≤1s) δ

(2)

113

TDIF=

ftdfts

ε=

1/3

-1

(εd>1s)

(3)

如果继续增大爆炸荷载,水平位移峰值和残余值相同,

柱全面进入塑性破坏状态。

式中,ftd为应变率为εd时的混凝土动力抗拉强度;fts为混凝土的静力抗拉强度,即混凝土应变率为εts(εts为静

-6-1

β=态拉应变率,本公式中取10s)时的抗拉强度;lg

′′′

δ-2,其中δ=1/(1+8fc/fco),fco=10MPa为公式引6

入的去单位化常量,fc为静力荷载作用下混凝土的轴心抗压强度。

(5)混凝土抗压动力强度增大系数CDIF由式(4)、

确定。

CDIF=CDIF=

ffcsffcs

′

εd=

ε

α11026

-1

(εd≤30s)

(4)(5)

图2　不同爆炸荷载作用下钢筋混凝土柱中

点水平位移时程曲线

Fig.2　Comparisonofmid2heightdeflectionof

thecolumnwithdifferentblastloads

=γ(εd)

1/3

-1

(εd>30s)

式中,fcd为应变率为εd时的混凝土动力抗压强度;fcs为ε混凝土静力抗压强度,即混凝土应变率为εcs(cs为静态

-6-1

γ压应变率,本公式中取3×10s)时的抗压强度;log

α-0149,其中α=5+3fcu/-1,fcu为混凝土=61156

立方体静力抗压强度。112　粘结滑移

当钢筋混凝土结构承受动力荷载时,响应时,,

[13214]

不能忽略模型(CONT,,被迫沿着混凝土的主节点滑动,它们之间的粘结力与滑动距离成正比。而一旦钢筋与混凝土间的粘结力超过

[9,15]

某个限值,钢筋与混凝土即会分离。本文中,钢筋与

[8]

混凝土间的最大粘结力取18MPa。113　数值验证

为了验证前述有限元模型和粘结滑移模型的有效性,本文作者曾经将运用上述模型数值模拟的结果与现场试验的结果进行对比,结果表明,上述模型能够对钢筋混凝土柱在爆炸荷载作用下的动力响应作出可靠的

[8]

预测。

选取某典型钢筋混凝土柱,柱截面宽度b=600mm,柱截面高度h=400mm,柱高H=4600mm,混凝土轴心

　′

抗压强度fc=40MPa,纵筋配筋率ρ=01010,配箍率ρs

2拉断以及受压区混凝土的压碎;剪切破坏通常表现为支座处发生直剪破坏或剪跨区发生斜剪破坏。

数值模拟结果表明,在爆炸荷载作用下,以上三种破坏模式均有可能发生。图3给出了113中典型钢筋混凝土柱在不同爆炸荷载作用下所产生的三种典型的破坏模式,其中破坏模式(a)为剪切破坏,破坏时压强P=25000kPa,冲量I=2400kPa ms;破坏模式(b)为弯曲破坏,破坏时压强P=700kPa,冲量I=50000kPa ms;破坏模式(c)为弯剪破坏,破坏时压强P=5000kPa,冲量I=5000kPa ms。

依据爆炸荷载本身的特点,一般把爆炸荷载分为三类:冲量荷载(impulsiveload)、准静态荷载(quasi2static

load)和动力荷载(dynamicload)。冲量荷载指高峰值、

低持时的爆炸荷载,多为近距离爆炸产生;准静态荷载为低峰值、高持时的爆炸荷载,多为远距离爆炸产生;而动力荷载一般指峰值和持时介于冲量荷载和准静态荷

[16]

载之间的爆炸荷载。本文研究表明

,在冲量荷载作用下,钢筋混凝土柱倾向于发生剪切破坏;在准静态荷载作用下,钢筋混凝土柱则倾向于发生弯曲破坏。而在动力荷载作用下,钢筋混凝土柱更容易发生弯剪破坏。这是因为,在冲量荷载作用下,由于作用时间很短,剪应力迅速增大到破坏应力而弯曲位移尚未来得及发展,因此,更倾向于发生剪切破坏。而对于准静态荷载,由于峰值较小,剪切应力也小,但在较长时间里弯曲变形有较大发展,故更倾向于发生弯曲破坏。当然,上述结论只是一些普遍的规律,钢筋混凝土柱在爆炸荷载下的破

=01010。在不同的爆炸荷载作用下,该钢筋混凝土柱中

点的水平位移时程曲线如图2所示,图中荷载一的压强P=1057kPa,冲量I=3640kPa m

s;荷载二的压强P=5000kPa,冲量I=7500kPa ms;荷载三的压强P=8161kPa,冲量I=8856kPa ms。从图中可以看出,当爆炸荷载压强和冲量较小时,柱中点的响应为平衡位置附近的高频振荡,随着爆炸荷载的增加,柱中点水平位移的峰值不断增大,趋于静止后仍有残余水平位移存在,114

坏模式还与柱的基本属性有关,比如受剪承载力和受弯

承载力的比值等。

图4　不同截面惯性矩时柱中点水平位移时程曲线Fig.4　Comparisonofmid2heightdeflectionofthecolumn

withdifferentcrosssectionmodulus

01006。从图中可以看出,随着截面惯性矩的增大,柱中

图3　钢筋混凝土柱的破坏模式

Fig.3　DamagemodesofRCcolumnunderblastloads

3　,,进一步研究截面惯性矩、纵筋配筋率和配箍率等参数对钢筋混凝土柱在爆炸荷载作用下动态响应的影响。表1给出了各个参数的范围。作用在钢筋混凝土柱上的爆炸荷载均为压强P=5000kPa,冲量I=7500kPa ms的三角形荷载。

表1　参数范围

Table1　Rangeofparameters

柱截面高度混凝土轴心抗压强度纵筋配筋率

ρf′/MPaH/mm

400600800

30MPa40MPa50MPa

010100101601020

配箍率

ρs

0100601016

轴压比

012012012

点水平最大位移和残余位移均有显著减小。这一结果

符合客观判断,因为增加截面惯性矩能显著增加柱的抗弯刚度和抗剪刚度,时,,混凝土尚,

1力响应的影响,保持其他参数不变,对三根混凝土轴心抗压强度分别为30MPa、40MPa和50MPa的钢筋混凝土柱在同一爆炸荷载作用下的动力响应进行了分析。图5给出了不同混凝土轴心抗压强度的钢筋混凝土柱的柱中点水平位移时程曲线,其中柱截面宽度b=600mm,截面高度h=400mm,柱高H=4600mm,纵筋配筋率ρ=01010,箍筋配箍率ρ从图中可以看出,随着混s=01006。

凝土轴心抗压强度的增加,柱中点水平最大位移和残余位移均会有不同程度的降低,水平残余位移降低的幅度较大。这是因为,随着混凝土轴心抗压强度的增加,在相同的爆炸荷载作用下,混凝土进入塑性的区域显著减

311　截面惯性矩

保持钢筋混凝土柱截面宽度b不变,通过改变柱截面高度h来改变柱的截面惯性矩,这样,就可以在改变截面惯性矩的同时,保证作用在柱面上的荷载相同。

图4给出了柱截面高度h为400mm,600mm和

9410

800mm(即截面惯性矩分别3120×10mm,1108×104104mm和2156×10mm)时钢筋混凝土柱在相同爆炸荷载作用下柱中点的水平位移时程曲线,其中柱截面宽度

′

b=600mm,柱高H=4600mm,混凝土轴心抗压强度fc=40MPa,纵筋配筋率ρ=01010;箍筋配箍率ρs

=

图5　不同混凝土轴心抗压强度时柱

中点水平位移时程曲线

Fig.5　Comparisonofmid2heightdeflectionofthecolumn

withdifferentconcretecompressivestrength

11

5

少,从而有效降低柱中点水平残余位移。313　纵筋配筋率

仅仅改变钢筋混凝土柱的纵筋配筋率,不同的钢筋混凝土柱在相同爆炸荷载作用下柱中点的位移时程曲线如图6所示,其中柱截面宽度b=600mm,截面高度h

′

=400mm,柱高H=4600mm,混凝土轴心抗压强度fc=40MPa,箍筋配箍率ρ从图中可以看出,当钢s=01006。

筋混凝土柱的纵筋配筋率由01010增大到01020时,无论是柱中点的水平最大位移还是残余位移都没有得到显著的降低。这是因为增加钢筋混凝土柱的纵筋配筋率对钢筋混凝土柱抗弯刚度和抗剪刚度的影响有限,同时,在这一纵筋配筋率区间,爆炸荷载作用下钢筋均未屈服,增加钢筋对其受弯承载力的提高并没有显现出来。如果纵筋配筋率继续降低,爆炸荷载作用下钢筋屈服,

柱中点水平残余位移可能会有较大增加。

图7　不同箍筋配筋率时柱中点水平位移时程曲线Fig.7　Comparisonofmid2heightdeflectionofthecolumn

withdifferenttransversereinforcementratio

4　结论

(1)图6　不同纵筋配筋率时柱中点水平位移时程曲线

Fig.6　Comparisonofmid2heightdeflectionofthecolumn

withdifferentlongitudinalreinforcementratio

破坏、,钢筋;在准静态荷载作用下,;而在动力荷载作,(2)提高柱截面惯性矩和混凝土轴心抗压强度,能够显著降低钢筋混凝土柱在爆炸荷载下的柱中水平位移;增加柱的截面惯性矩、混凝土轴心抗压强度和配箍率,均能在一定程度上提高钢筋混凝土柱的抗爆性能。

(3)进行钢筋混凝土柱抗爆设计时,不需特别考虑增加柱的纵筋配筋率,纵筋配筋率只须满足钢筋混凝土柱正常承载力要求即可。

314　配箍率

参　考　文　献

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通过有限元模拟分析方法,分别得到了箍筋间距为100mm和200mm时(配箍率ρs分别为01016和01006)两根不同的钢筋混凝土柱在同一爆炸荷载作用下柱中点的水平位移时程曲线,如图7所示,其中柱截面宽度b

=600mm,截面高度h=400mm,柱高H=4600mm,混凝

土轴心抗压强度fc=40MPa,纵筋配筋率ρ=01010。从图中可以看出,减小钢筋混凝土柱的箍筋间距,虽然说对于降低柱中点水平最大位移的作用有限,但能够显著降低柱中点水平残余位移,这是因为,减少钢筋混凝土柱的箍筋间距,一方面能够增加柱的受剪承载力,同时也能通过限制核心混凝土增加其强度,从而限制混凝土塑性的发展,降低柱中点水平残余位移。

由以上分析可见,通过增加钢筋混凝土柱的截面惯性矩、混凝土轴心抗压强度和配箍率均能在一定程度上提高钢筋混凝土柱的抗爆性能。而进行钢筋混凝土柱抗爆设计时,不需特别考虑增加纵筋配筋率,纵筋配筋率只须满足钢筋混凝土柱正常承载力要求即可

。11

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/jv61.html