钢筋混凝土柱在爆炸荷载作用下的动态响应分析.pdf

5 2 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 第 3 8卷第 4期 2 0 1 2年 8月 钢筋混凝土柱在爆炸荷载作用下的动态响应分析 苏丽娜 ， 侯延利 ( 1 洛阳理工学院土木工程系， 河南 洛阳4 7 1 0 2 3 ； 2 中国新时代国际工程公司， 陕西 西安7 1 0 0 5 4 ) 摘要： 钢筋混凝土柱在冲击爆炸荷载作用下的破坏可能会导致结构连续性倒塌。本文对爆炸荷载下钢筋 昆凝土 柱的动力响应进行了数值模拟。在建立三维实体钢筋混凝土柱模型时， 对混凝土材料采用了脆性损伤模型， 分析 了柱在不同折合距离时的侧向位移和失效情况 ， 可以看出， 侧向位移随着折合距离的增大而逐渐减小。当折合距 离大于2 5时 ， 爆炸冲击荷载对柱的影响很小。研究结果对钢筋混凝土柱的设计与防护具有一定的参考价值。 关键词： 爆炸荷载； 钢筋混凝土柱 ； 折合距离 中图分类号 ： T U 3 7 5 3 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 2 ) 0 4 0 5 2 0 3 Dy n a mi c r e s p o n s e o f t h e c o n c r e t e c o l u m n un d e r e x p l o s i v e a n d i mp a c t l o a d s S U Li n a HOU Ya n l i ( 1 L u o y a n g I n s t i t u t e o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， L u o y a n g 4 7 1 0 2 3 ， C h i n a ； 2 C h i n a N e w E r a I n t e r n a t i o n a l E n g i n e e ri n g C o r p o r a t i o n ， X i a n 7 1 0 0 5 4， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h e d a ma g e o f r e i n f o rce d c o n c r e t e c o l u mn c a u s e d b y b l a s t l o a d i n g w i l l l e a d t h e s t r u c t u r a l t o p r o g r e s s i v e c o ll a p s e T h e d y n a mi c res p o n s e o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e c o l u mn i s a n a l y z e d b y n u me r i c al s i mu l a t i o n B y u s i n g t h e b ri t tl e d a ma g e mo d e l t o t h e c o n c r e t e ma t e r i a l t h e t h r e e d i me n s i o n al s o l i d mo d e l o f t h e r e i nfo r c e d c o n c r e t e c o l u n l n i s e s t a b l i s h e d Th e analy s i s s h o w s t h a t t h e l a t e r al d i s p l a c e me n t wi l l b e r e d u c e d wi t h t h e i n c r e asi n g of t h e s c a l e d d i s t a n c e ， a n d i t a l s o s h o ws t h a t i n flu e n c e o f t h e b l ast l o a din g t o t h e c o l u mn i s v e r y l i t t l e w h e n t h e s c a l e d d i s t a n c e i s mo re t h a n 2 5 Th e r e s u l t i s v alu ab l e f o r t h e d e s i g n i n g a n d p r o t e c t i n g o f t h e r e i nfo r c e d c o n c r e t e c o l um n Ke y wo r d s： b l ast l o a d i n g ； rei n f o r c e d c o n c r e t e c o l u mn； s c a l e d d i s t anc e 0 引 言 近年来， 对如何提高结构抗爆能力的研究已经 受到国内外大量研究人员和工程设计人员的广泛重 视。结构构件的抗爆分析具有明显 的局部性 ， 在爆 炸冲击波荷载作用下 ， 可 以将结构构件从整体结构 中局部拿出来进行抗爆分析。钢筋混凝土柱作 为工程结构基本构件之一， 在受到强动荷载作用或 突加速度时， 可能会产生比较大的塑性变形， 从而导 致结构因过量 的永久变形而失去原有功能， 或造成 连续性倒塌 ， 直至结构整体发生破坏 ， 给人 民生命财 产造成严重损失。因此， 研究钢筋混凝土柱在爆炸 冲击荷载作用下的动态响应及其防护措施具有十分 重要 的工程实 际意义 4 。 。而折合距离对爆炸产生 的冲击波超压峰值和持续时间有着决定性 的影响， 收稿 日期 ： 2 0 1 1 - 0 2 - 2 1 作者简介 ： 苏丽娜 ( 1 9 7 8一) ， 女 ，河北衡水人 ， 讲 师 ， 硕 士研究生 ， 主 要从事结构工程教学与科研工作。 Ema i l ： s l n y j h s o h u c o n 因此， 本文对折合距离对荷载作用下的变形 、 破坏和 响应的影响情况进行了详细 的研究 。对钢筋混凝土 柱的设计与防护具有一定的参考价值。 1 计算模型 由结构塑性动力学理论 可知， 在冲击荷载作 用下， 结构构件的动力反映具有局部性， 只与结构构 件相连的构件有关 ， 而与其他构件关系不大。 本文对一方形柱建立了三维有限元模型。钢筋 昆 凝土柱截面尺寸为 5 0 0 m m X 5 0 0 n q m， 柱 高 3 6 0 0 m m， 纵筋为8 5 ， 箍筋为 b 1 2 1 5 0 ， 采用 k g m m m s 单位制建模 ， 几何实体模型如图 1 所示。 在有限元模型建立过程中 ， 混凝土采用 3 一 D实 体单 元 S O L I D1 6 4 ， 纵 向 受 力 筋 和 横 向 箍 筋 用 B E A M1 6 1梁单 元。计算 中用 H u g h e s l i u梁单元算 法 ， 对梁单元的积分采用 22 G u a s s 算法。 由于本 文中的几何实体模 型比较规则 ， 故采用 映射网格划分来提高其计算精度。混凝土实体单元 尺寸为 5 0 1T I m， 采用三维实体 8节点单元剖分 ， 共划 四川建筑科学研究 第 3 8卷 值为 5 6 m m， 此时受到的压力峰值约为 2 9 1 MP a ， 柱在 向产生了一定的变形 ， 只有少部分的拉 区混 凝土在拉应力的作用下失效消蚀 。 L S DY NAu s e r i 帕 咀 T i l n e - 4 3 8 9 6 C o n t o u r s o f P r t s mi 0 0 387 03 7 a t c k 47 29 m a x - O 0 3 8 3 9 3 1 at c I c 7 1 7 0 ( a 】 压力云图 3 8 39 2 3 41 7 c 02 2 9 94 e - 02 2 5 71 2 2 l 49e m l 7 26c _ 02 l 3 0 4 e - 0 2 8 8 o9e - 4 58 2e 3 5 60 c | 3 8 7 0 e _ 0 3 图 6 Z=2 0 t = 4 3 8 9 6 I n s时的压 力云图和 向位移 Fi g 6 Co n t o u r o f p r e s s u r e a n d - c o mp o n e n t o f d i s p l a c e me n t o f c o l u mn wh e n Z =2 0。 t =4 3 8 9 6 ms 黧 1669e+008345e4)1 糊 一 囊嬲 豳 ( b ) 柱的x 向位移 图 7 Z= 2 5 。 t = 4 7 9 5 7 m s时的压力云图和 向位移 F i g 7 Co n t o ur o f p r e s s u r e a n d - c o mpo n e n t o f d isp l a c e me n t o f c o l u m n wh e n Z =2 5。 t =4 7 9 5 7 ms 综合图 4 7的模拟数据可知， 随着折合距离 z 的增大 ， 钢筋混凝土柱的 向位移范围为 4 7 7 0 m m， 远远小于 Z =0 5时的 向位移值。同时也可 以看出 ， 在 Z从 1 0增大至 2 5的过程中， 柱的 向 位移 的变化不大 ， 但总的趋 势是在减小 。这与冲击 波的衰减规律一致 。 为考察折合距离对钢筋混凝土方柱变形的影响 程度， 取迎压面的柱 中 2 1 2 4 节点的位移时程 曲线 进行研究 ， 如图 8 ， 9所示 。 图 8 Z =0 5时 2 1 2 4 节 点的 向位移时程 曲线 Fi g 8 Tim e h i s t o r y o f c o mpo n e n t o f d i s p l a c e m e n t a t 2 1 2 4 n o d e wh e n Z =0 5 时 间 i n s 图 9不同折合距离时 2 1 2 4 节点的 z向位移 时程 曲线 Fi g 9 Ti me h i s t o r y o f c o mpo n e n t o f d i s p l a c e me n t a t 21 2 4 no de i n di ffe r e n t s c a l e d di s t anc e 通过比较可 以发现 ， 当 Z= 0 5时， 该节点在 方向产生了较大的变形 ， 向位移达 到了 3 4 7 m m， 当 Z=1 0时， 该节点在 方向产生 了一定 的变形， 但较 Z= 0 5时要小得多， 只有 2 8 mm； 随着折合距 离 z的不断增大 ， 该节点的 向位移逐渐减小 ， 但减 小的趋势放缓 ， 当 Z= 2 5时 ， 节点的 向位移仅为 2 mm 3 结 论 通过分析发现 ， 钢筋混凝土柱在爆 炸冲击荷载 作用下的侧 向位移随着折合距 离的增大而逐渐减 小 ， 但该下降趋势在 Z1 O以后 明显放缓。当折 合距离 Z 2 5时， 爆炸冲击荷载对柱 的影响很小。 以上分析结果与结论同文献 4 一致。 但是应当指出 ， 在爆炸冲击荷载作用下 ， 由于荷 载作用时间非常短 ， 而荷载的峰值可能较大 ， 所以不 能仅依靠柱的侧向位移来判断构件的破坏程度， 对 于钢筋混凝土柱， 应该评价其在爆炸荷载作用后的 残余承载力 ， 进而对柱子 的破坏程度进行 客观 的评 价。 参 考 文 献i 1 李国强， 孙建运， 王开强 爆炸冲击荷载作用下框架柱简化分 析模型研究 J 振动与冲击， 2 0 0 7 ， 2 6 ( 1 ) ： 8 一 l 1 2 C R A W F O R D J E ， M A L V A R L J R e t r o fi t o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e s t r u c t u r e s t o r e s i s t b l a s t e ff e c t s J A C I S t r u c t u r a l J o u r n a l ， 1 9 9 7 ， 9 4 ( 4 )： 3 7 1 - 3 7 7 3 方秦， 柳锦春， 张亚栋， 等 爆炸荷载作用下钢筋混凝土梁破 坏形态有限元分析 J 工程力学 ， 2 0 0 1 ， 1 8 ( 2 ) ： 1 - 8 4 魏雪英爆炸冲击荷载下混凝土和砖砌体材料及结构的响应 研究 M 西安： 西安建筑科技大学出版社， 2 0 0 7 5 余同希， 华云龙 结构塑性动力学引论 M 合肥： 中国科学技 术大学出版社 ， 1 9 9 4