近爆荷载作用下钢筋混凝土板的损伤分析.pdf

6 2 低温建筑技术 2 0 1 0 年第8期( 总第 1 4 6期) 近爆荷载作用下钢筋混凝 土板的损伤分析 朱升波 ， 夏谦 ( 浙江大学结构工程研究所 。 杭 州3 1 0 0 5 8) 【 摘要】 对于重要建筑结构的抗爆性能评估， 通常需要用合适的计算方法进行直接的数值模拟。为研究 钢筋混凝土板的抗爆能力， 本文采用 A U T O—D Y N软件对钢筋混凝土板进行了数值模拟。研究结果表明： 采用流 固耦合数值模拟方法较合理地展现了钢筋混凝土板的开裂过程； 在 2 k g炸药爆炸荷载作用下 ， 钢筋混凝土板将发 生震塌破坏 ， 危 害结构 内人员 的安全。 【 关键词】 爆炸荷载； 钢筋混凝土板； 冲击波； 数值模拟 【 中图分类号】 T U 3 5 2 ； 0 3 8 3 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 — 6 8 6 4 ( 2 0 1 0 ) 0 8 — 0 o 6 2 — 0 2 爆炸作用下钢筋混凝土结构的损伤主要取决于炸药 量、 爆炸距离和混凝土结构构件的 自身特性。针对钢筋混 凝土板在爆炸作用 下的动力响应 问题 国外 已有较 多研 究_ 】 ． 4 ] ， 但对于近爆区爆炸破坏作用方面的研究较少 ， 而且 多数在处理爆炸荷载时都将其简化为双直线的形式 ， 与实 际的时程曲线差异较大。Z h o u ． X ． Q等 引入塑性损伤模 型， 采用数值模拟的方法预测了钢筋混凝土板和高强钢纤 维混凝土板在爆炸荷载作用下的动力响应。X u K a i 等 通 过建立钢筋混凝土板的三维数值模型， 分析了在不同炸药 量和构件形式下钢筋混凝土板的震塌标准， 但其使用 C O N — WE P算法对板面加载爆炸波作用， 忽略了结构构件刚度的 影响， 在近爆情况下将会带来较大的偏差。由于开展爆炸 荷载作用下结构的抗爆能力研究， 不仅试验费用很高， 而且 存在一定的危险性和环境影响， 测量也比较困难。而有限 元分析方法可 以模拟结构 的受力性 能和破坏过程 ， 因此 ， 进 行爆炸荷载作用下混凝土结构的数值模拟对其加固研究具 有重要的现实意义和社会价值 ， 有助于建立重要建筑结构 和防护工程结构的抗爆性能评估方法。本文运用 A U T O— D Y N软件对爆炸荷载作用下钢筋混凝土板的动力响应和破 坏模式进行数值模拟， 同时考虑空气和钢筋混凝土板之间 的流固耦合作用 ， 得到钢筋混凝土板的动力响应 和破坏 模式。 1 数 值模 型 在数值模拟中， 板的净尺寸为 1 ． 3 m1 ． 0 m 0 ． 1 2 m， 钢筋直径 1 0 m m， 纵向受力钢筋间距为 1 0 0 m m， 分布钢筋间 距为 1 2 0 m m， 双层双 向布置 ， 如图 1 所示 。炸药置于距 板顶 面中心0 ． 6 m高度处。钢筋混凝土板的两个长边 自由， 短边 采用简支约束， 以此模拟单向板的工作状态。钢筋和混凝 土均采用 L a g r a n g e网格进行建模， 其中混凝土单元数为 1 6 6 ， 4 2 5 ， 钢筋 为 4 ， 5 7 0 。空气采用 E u l e r — F C T算法 ， 边 界面 设为物质流出。在爆炸荷载作用下， 由于作用的时问非常 短， 通常可以假定钢筋和混凝土之间的粘结是完好的， 同时 为解决网格的大 变形 问题 ， 模 型 中采 用侵蚀 算法 ( E r o s i o n ) 处理， 避免了网格扭曲造成的计算精度下降、 计算步长变小 等问题。 图1 钢筋布置 2 材 料模型 2 ． 1 空气和炸药 在数值模拟中， 通常将空气假定为理想气体 ， 其性能一 般采用线性多项式的状态方程来描述， 根据 G a ma准则， 其 可以表示为 ： P = ( y—I ) p E ／ p 0 ( 1 ) 式中， P为气体压力， y是比热 比， p表示空气的当前密 度， p 0 是初始时刻的空气密度， E为气体单位体积的内能。 炸药采用经验的J o n e s—Wi l k i n s—L e e ， 即 J WL状态方 程来描述爆轰过程中压力和相对体积的关系。 P = A ( 1 一 ) e + 曰 ( 1 一 ) e + ta E ( 2 ) 式中， P为爆炸产生的压力； 为压力为P时的体积与初 始体积的比值； E是爆轰产物单位体积的内能； 相关爆炸实 验来确定的材料常数。 对于 T N T炸药 ， p=1 6 3 0 k g ／ m ， E= 6 ． 0 X 1 0 J ／ m ， A =3 ． 7 3 71 0 GP a ，B =3 ． 7 4 7 GP a ， R1= 4 ． 1 5， R 2 = 0 ． 9， = 0 ． 3 5。 2 ． 2 钢筋 钢筋采用 J—C模型 ， 该模型适合模拟材料在大应 变、 高应变率下和高温情况下的力学性能。在爆炸荷载作 用下， 混凝土结构中钢筋的应变率可以达到 5 0—1 0 0 s 【 引。 图3显示了应变率为 1 0 0 S 时钢筋的应力应变关系。该材 料本构模型可表示为： = [ A+ s ： ] [ 1+C l n ] ( 3 ) 0 式中， 为等效塑性应变， 为等效塑性应变率， 。为 参考塑性应变率， 取 =1 s ～。 A表示屈服强度， C 为应变率 敏感参数， A=3 0 0 MP a ， B=3 8 4 MP a ， ， l =0 ． 2 6 ， C=0 ． 0 1 4， 失效应变取 为 0 ． 1 。 朱升波等： 近爆荷载作用下钢筋混凝土板的损伤分 析 6 3 2 ． 3 混凝土 混凝土采用 A U T O—D Y N软件材料库中的 C O N C一3 5 MP A材料模型， 该模型包括 P—o t 状态方程 ， R H T 强度模 型和损伤模型以及侵蚀算法 ， 是当前比较适合用来模拟混 凝土材料在爆炸冲击荷载作用下动力特性的模型。混凝土 的密度P= 2 ． 5 51 0 k g ／ m ， 抗压强度为 3 5 ． 0 MP a ， 抗拉强 度为3 ． 5 MP a ， 剪切模量 G为 1 ． 6 71 0 MP a 。 3 数值模拟结果分析 3 ． 1 钢筋混凝土板动力响应分析 板在爆炸作用下跨中最大挠度是衡量其破坏程度的一 个重要因素。由图2可知， 最大速度出现在爆炸冲击波结束 后 ， 而后结构 由于惯性将继续 向下振动 ， 板 的挠 曲变形 随之 增 大。板在 0 ． 5 m s 时达 到最大 速度 4 ． 2 5 m ／ s ， 随后速 度开 始衰减。 二 ● 鞠 2 l 0 — 1 —2 — 3 — 4 - 5 O ．o ．0 0．00 0 0 ． 0 0 5 0 ． 01 0 0． 0 1 5 0 ． 0 2 0 Ys 图2 板中心点竖向速度时程曲线 0．0 0 0 0 ． o o 5 0 ． 01 0 0 ． 01 5 0 ． 0 2 0 t ／ s 图 3加速度时程曲线 3 ． 2 钢筋混凝土板破坏模式分析 在爆炸荷载作用下， 压缩应力波在板的迎爆面产生损 伤， 并传播至板的背爆面形成强拉伸波， 造成背爆面混凝土 的层裂和崩塌。钢筋混凝土板在 2 k g c o mp B炸药作用下的 破坏过程如图4所示 ， 最终破坏结果具有近爆荷载作用下的 典型特征。由图可知， 钢筋混凝土板底面纵向中部较横向 中部先出现受拉破坏 裂缝 ， 在 2 m s时 ， 横 向裂缝 发展 ， 最终 宽度约 5 m m， 板发生明显的双向弯曲破坏。在板中心区域， 出现环形裂缝 ， 具有双 向弯曲的角部裂缝特征。钢筋混凝 土板受拉 区破坏严 重 ， 板 底面 纵 向中部 出现 多条 受拉破 坏 的裂缝。 4 结语 本文采用 A U T O—D Y N软件对爆炸荷载作用下钢筋混 凝土板的动力响应和破坏模式进行了数值模拟， 结果表明： 钢筋混凝土板面承受的爆炸荷载与自由场冲击波大小和板 的刚度密切相关。入射超压越大， 则反射越强， 升压时间 短， 衰减迅速； 采用流固耦合数值模拟方法较合理地展现 了 ■■一 ( a )1 m s ( b ) 2 ms 一_ ( C )2 0 m s 板正 面 ( b ) 2 O ms 板背面 图4 2 k g 炸药作用下钢筋混凝 土板的损 伤 钢筋混凝土板从混凝土开裂到板 局部震 塌破坏 的动态 演变 过程； 在 2 k g c o m p B炸药作用下， 钢筋混凝土板的破坏呈现 弯曲破坏， 并将发生震塌破坏， 危害结构内人员的安全。 参考文献 [ 1 ]L u Y o n g ， G o n g S h u n f e n g ， A n a n a l y t i c a l m o d e l f o r d y n a m ic r e s p o n s e o f b e a m —c o l u mn f r a me s t o i mpu l s i v e g r o u n d e x c i t a t i o n s [ J ] ． I n t e rna t i o n al J o u r n a l o f S o l i d s and S t r u c t u r e s ， 2 0 0 7 ， 4 4： 7 7 9 —7 9 8 ． [ 2 ] G O N G S h u n — f e n g ， L U Y o n g ， J I N We i —l i a n g． S i m u l a t i o n o f a i r b l a s t l o a d a n d i t s e ff e c t o n R C s t r u c t u re s [ J ] ．T r a n s a c t i o n s o f T i a n j i n U n i v e r s i t y ， 2 0 0 6 。 1 2( s u p p 1 ) ： 1 6 5—1 7 0 ． [ 3 ]T u Z h e n g u o ， L u Y o n g． E v a l u a t i o n o f t y p i c a l c o n c r e t e m a t e r i a l mod e l s u s e d i n h y d r o c o d e s f o r h i g h d y n am i c res p o n s e s i mu l a t i o n s [ J ] ．I n t e r n a t io n a l j o u rnal o f I mp a c t E n g i n e e ri n g 。 2 0 0 8， ( 3 ) ： 1一 l 5 ． [ 4] Z HO U x ． Q， K u z n e t s o v V ． A， H a o H ． Wa s c h l J ．N u me ri c al p red i c — t i o n o f c o n c ret e s l a b r e s p o n s e t o b l a s t l o a d i n g [ J ] ．I n t e r n a t i o n a l j o u rual o f I m p a c t E n gin e e ri n g ， 2 0 0 8 ， ( 1 ) ： 1一l 5 ． [ 5] X U K a i ， L U Y o n g ．N u m e r i c a l s i mu l a t i o n s t u d y o f s p all a t i o n i n r e — i n f o r c e d c o n c ret e p l a t e s s u b j e c t e d t o b l ast l o a d i n g [ J ] ．C o mp u t e rs ＆S t r u c t u res， 2 0 0 5， 8 4 ( 6 ) ： 4 3 1— 4 3 8 ． [ 6] G ． R J o h n s o n ， W H C o o k ．A c o n s t i t u t i v e m ode l a n d d a t a fo r me t — al s s u b j e c te d t o l a r g e s t r a i n s ， h i g h s t r a i n r a t e s a n d h Ji g h t e m p e ra— t u r e s [ C] ／ ／ P r o c e edi n g s o f t h e s e v e n t h i n t e r n a t i o n al s y m p o s iu m o n B a l l i s t i c s ， 1 9 8 3： 4 ． [ 7 ] R i e d e l W， T h o m a K， H i e r m a i e r S ． e t a1 ．P e n e t r a t i o n o f re i n f o r c ed c o n c r e t e b y BE TA — - B — — 5 0 0 n u me r i c a l an a l y s i s u s i n g a n e w ma c — r es c o p i c c o n c re t e m ode l fo r h y d r o c ode s [ C ] ／ ／ P r o c e e d i n g o f t h e Ni n t h I n t e r n a t i o n al S y mp o s i u m o n I n t e r a c t i o n o f t h e E ff ec t s o f Mu — n i t i o n s w i t h S truc t u r e s ．B c d i n ：N o ~e gi an D e f e n s e C o n s truc t i o n S e r v ic e， 1 9 9 9： 31 5 —3 2 2 ． [ 收稿 日期 ] 2 0 1 0— 0 1—2 5 [ 作者 简介 ] 朱升波( 1 9 8 4一) ， 男， 湖北黄 石人 ， 硕 士研 究生 从事钢筋混凝土结构 的抗爆性研究 。