1、第29卷第4期建筑結構學報Vol129,No14 2008年8月Journal of Building Structures Aug12008文章編號:100026869(20080420112206爆炸荷載作用下鋼筋混凝土柱的動力響應與破壞模式師燕超,李忠獻(天津大學建筑工程學院,天津300072摘要:在爆炸荷載作用下,鋼筋混凝土構件和結構的動力響應較之地震荷載和靜態荷載作用下要復雜得多。運用有限元顯式動力分析軟件LS2DY NA,建立了典型鋼筋混凝土柱的三維有限元模型,該模型對鋼筋混凝土采用分離式建模,并且考慮了材料的應變率效應和鋼筋與混凝土間的粘結滑移。在該有限元模型的基礎上,通過對爆炸

2、荷載作用下鋼筋混凝土柱動態響應的數值模擬,研究了鋼筋混凝土柱在爆炸荷載作用下可能的破壞模式及其規律。同時,運用參數化分析方法,研究了截面慣性矩、混凝土軸心抗壓強度、縱筋配筋率和配箍率等參數對鋼筋混凝土柱在爆炸荷載作用下的動態響應的影響,在數值模擬結果的基礎上,分析提出了鋼筋混凝土柱抗爆設計時應當注意的問題。研究結果表明:在爆炸荷載作用下,鋼筋混凝土柱的破壞模式不僅和自身的特性有關,還取決于爆炸荷載的類型。提高柱截面慣性矩和混凝土軸心抗壓強度,能夠顯著降低鋼筋混凝土柱在爆炸荷載作用下的柱中水平位移,從而提高其抗爆性能。增加配箍率也能顯著提高鋼筋混凝土柱的抗爆性能。關鍵詞:鋼筋混凝土柱;爆炸荷載;

3、有限元分析;參數分析;動力響應;破壞模式中圖分類號:T U37513T U31211T U311141文獻標識碼:ADyna m ic res ponses and failure modes ofRC colu mns under blast l oadingSH I Yanchao,L I Zhongxian(School of Civil Engineering,Tianjin University,Tianjin300072,ChinaAbstract:The dynam ic res ponse of reinforced concrete(RCmember and structur

4、e under blast l oading is much more comp licated than that under other l oadings such as earthquake loading and static loading,since the blast wave p r opagates fast and the load acting on the structure appears at the peak value for a short durati on.In this paper,3D numerical models of typ ical RC

5、columns are established by using soft ware LS2DY NA.In the model,the steel bar and concrete are modelled separately,and the bond sli p bet ween them is considered.The strain rate effects of the t w o materials are als o included in the numerical model.Based on the model,numerical si mulati ons are c

6、arried out t o learn the possible failure modes of RC column under blast loading.Parametric studies are als o adop ted to investigate the effects of moment of section inertia,concrete strength,longitudinal and transverse reinforcement ratio on the dynam ic response of RC column under blast loading.S

7、ome suggesti on on designing the RC column t o resist blast loads is p r oposed based on the numerical results.It is found that the failure modes of RC column under blast loading depend not only on the column p roperties,but als o on the blast l oading type. The results als o show that by increasing

8、 the moment of secti on inertia and concrete strength,the lateral dis p lacement of m id RC column can be dramatically decreased under blast loads;by increasing the moment of section inertia,concrete strength and transverse reinforcement rati o,the blast resistant capacity of the RC column can be in

9、creased.Keywords:reinforced concrete column;blast load;FEA;parametric study;dynam ic res ponse;failure mode基金項目:國家自然科學基金重點項目(50638030,國家科技支撐計劃重點項目(2006BAJ13B02,天津市應用基礎和前沿技術研究計劃重點項目(08JCZ DJC19500。作者簡介:師燕超(1982,男,河南淮陽人,博士研究生。收稿日期:2007年2月2110引言近些年來,世界范圍內恐怖襲擊和意外爆炸事件不斷發生,在造成嚴重的人員傷亡和經濟損失的同時,還造成了惡劣的政治和社會影

10、響。因此,爆炸荷載作為一種非常規荷載,在世界范圍內越來越受到工程設計人員的重視。鋼筋混凝土結構因其優異的力學性能和較高的質量密度成為當前建筑結構抗爆設計的首選,研究鋼筋混凝土梁、板、柱等結構構件及整個結構在爆炸荷載作用下的動力響應和破壞模式,對于提高鋼筋混凝土結構的抗爆安全性具有重要的理論意義和工程價值1。由于爆炸荷載具有傳播速度快、峰值大、作用時間短等特點,爆炸沖擊荷載作用下鋼筋混凝土構件和結構的動力響應十分復雜。近年來國內外學者對鋼筋混凝土構件在爆炸荷載作用下的動力行為開展了一系列的研究,如Sun等2對鋼骨混凝土柱在爆炸荷載作用下的動力特性進行了分析,得出了鋼骨混凝土柱較之普通混凝土柱在抵

11、抗爆炸沖擊荷載方面更具優勢的結論;杜林等3運用LS2DY NA程序對鋼管混凝土短柱的抗爆性能進行了有限元數值模擬,結果表明鋼管能有效增強結構的韌性和牢固性,從而改善結構的抗爆性能;Morrill 等4對鋼筋混凝土柱的抗爆加固問題進行了研究。但是由于問題的復雜性,鋼筋混凝土柱在爆炸荷載作用下的動態響應的研究較少。本文采用非線性有限元顯式動力分析軟件LS2 DY NA,對鋼筋混凝土柱在爆炸荷載作用下的動態響應進行了數值模擬,在大量有限元模擬結果的基礎上,分析了鋼筋混凝土柱在典型爆炸荷載作用下的動力響應特征和破壞模式。同時,運用參數化分析方法,研究了截面慣性矩、混凝土軸心抗壓強度、縱筋配筋率和箍筋配

12、筋率等參數對鋼筋混凝土柱在爆炸荷載作用下動態響應的影響,在數值模擬結果的基礎上,分析提出了鋼筋混凝土柱抗爆設計時應當注意的問題。1有限元模型的建立運用通用有限元顯式動力分析軟件LS2DY NA,建立了典型鋼筋混凝土柱的有限元模型,如圖1所示。圖中,b為柱面向爆炸波方向的截面寬度;h為柱截面高度;a為混凝土保護層厚度;H為柱凈高;s為箍筋間距。混凝土用25mm的單積分點正六面體單元來模擬,縱筋和箍筋均用長度為25mm的梁單元模擬,數值模擬結果發現,進一步細化網格只能夠有限地提高計算精度,但計算成本成倍增加,因此,本文中無論是正六面體單元還是梁單元,均采用25mm的網格尺寸。為了準確模擬鋼筋混凝土

13、柱的邊界條件, 有限元模圖1鋼筋混凝土柱的有限元模型Fig.1Nu merical model of the RC colu mn型中包括了柱頭和柱腳(圖1a,柱頭和柱腳側面水平方向的位移被約束,柱腳底面豎直方向的位移被約束。在數值模擬中,用理想化的三角形荷載來模擬爆炸荷載,均布作用在面向爆炸波方向的柱面上。因此,爆炸荷載可用壓強和沖量兩個值來表示。當然,實際上爆炸荷載沿柱面并非均布,也不是真正的三角形荷載526,但在爆炸不是近距離接觸爆炸的情況下,這一假定被廣泛接受728。111材料模型如圖1b所示,本文采用鋼筋混凝土分離式模型,混凝土采用LS2DY NA中的MAT_CONCRETE_DAM

14、AGE_ REL3(MAT72,鋼筋采用MAT_P LASTI C_KI N E MATI C (MAT39。鋼筋和混凝土材料在爆炸荷載的快速作用下,會經歷高達10s-11000s-1的應變率10。在這種高應變率情況下,鋼筋的強度能夠提高50%,混凝土的抗壓強度能夠提高100%,抗拉強度甚至能提高到600%10211,因此,本文同時考慮了鋼筋和混凝土的應變率效應。材料的應變率效應通常用材料強度的動力增大系數D IF(Dynam ic Increase Factor來表示,D IF定義為在某一應變率下材料的動力強度與靜力強度之比。鋼筋強度的D IF采用K&C模型12D IF=10-4,=

15、01074-01040f y414(1式中,為鋼筋的應變率(s-1,10-4s-1255s-1;fy為鋼筋屈服強度(M Pa,290M Pafy710M Pa。混凝土強度的動力增大系數D IF也采用K&C模型,該模型是在CEB模型的基礎上經過改進得來的10。混凝土抗拉強度動力增大系數TD IF由式(2、(3確定。TD IF=f tdf ts=dts(d1s-1(2311TD IF=f tdf ts=dts1/3(d>1s-1(3式中,ftd 為應變率為d時的混凝土動力抗拉強度;fts為混凝土的靜力抗拉強度,即混凝土應變率為ts(ts為靜態拉應變率,本公式中取10-6s-1時的抗拉

16、強度;lg= 6-2,其中=1/(1+8fc/fco,fco=10M Pa為公式引入的去單位化常量,fc為靜力荷載作用下混凝土的軸心抗壓強度。混凝土抗壓動力強度增大系數CD IF由式(4、(5確定。CD IF=f cdf cs=dcs11026(d30s-1(4CD IF=fcdf cs=(d1/3(d>30s-1(5式中,fcd 為應變率為d時的混凝土動力抗壓強度;fcs為混凝土靜力抗壓強度,即混凝土應變率為cs (cs為靜態壓應變率,本公式中取3×10-6s-1時的抗壓強度;log=61156-0149,其中=5+3fcu/4-1,f cu為混凝土立方體靜力抗壓強度。112

17、粘結滑移當鋼筋混凝土結構承受動力荷載時,在計算其動力響應時,鋼筋和混凝土之間的粘結滑移效應比較明顯,不能忽略13214。本文運用LS2DY NA中的一維滑動接觸模型(CONT ACT_1D對鋼筋混凝土間的粘結滑移進行了模擬。在這個模型中,鋼筋作為一系列的附屬節點,被迫沿著混凝土的主節點滑動,它們之間的粘結力與滑動距離成正比。而一旦鋼筋與混凝土間的粘結力超過某個限值,鋼筋與混凝土即會分離9,15。本文中,鋼筋與混凝土間的最大粘結力取18MPa8。113數值驗證為了驗證前述有限元模型和粘結滑移模型的有效性,本文作者曾經將運用上述模型數值模擬的結果與現場試驗的結果進行對比,結果表明,上述模型能夠對鋼

18、筋混凝土柱在爆炸荷載作用下的動力響應作出可靠的預測8。選取某典型鋼筋混凝土柱,柱截面寬度b=600mm,柱截面高度h=400mm,柱高H=4600mm,混凝土軸心抗壓強度fc=40M Pa,縱筋配筋率=01010,配箍率s =01010。在不同的爆炸荷載作用下,該鋼筋混凝土柱中點的水平位移時程曲線如圖2所示,圖中荷載一的壓強P=1057kPa,沖量I=3640kPa m s;荷載二的壓強P= 5000kPa,沖量I=7500kPam s;荷載三的壓強P= 8161kPa,沖量I=8856kPam s。從圖中可以看出,當爆炸荷載壓強和沖量較小時,柱中點的響應為平衡位置附近的高頻振蕩,隨著爆炸荷載

19、的增加,柱中點水平位移的峰值不斷增大,趨于靜止后仍有殘余水平位移存在,如果繼續增大爆炸荷載,水平位移峰值和殘余值相同,柱全面進入塑性破壞狀態。圖2不同爆炸荷載作用下鋼筋混凝土柱中點水平位移時程曲線Fig.2Comparis on of m id2height deflecti on ofthe colu mn with different blast l oads2破壞模式在爆炸荷載作用下鋼筋混凝土柱可能發生彎曲破壞、剪切破壞或彎剪破壞。彎曲破壞通常表現為鋼筋的屈服、拉斷以及受壓區混凝土的壓碎;剪切破壞通常表現為支座處發生直剪破壞或剪跨區發生斜剪破壞。數值模擬結果表明,在爆炸荷載作用下,以上三

20、種破壞模式均有可能發生。圖3給出了113中典型鋼筋混凝土柱在不同爆炸荷載作用下所產生的三種典型的破壞模式,其中破壞模式(a為剪切破壞,破壞時壓強P= 25000kPa,沖量I=2400kPam s;破壞模式(b為彎曲破壞,破壞時壓強P=700kPa,沖量I=50000kPam s;破壞模式(c為彎剪破壞,破壞時壓強P=5000kPa,沖量I=5000kPam s。依據爆炸荷載本身的特點,一般把爆炸荷載分為三類:沖量荷載(i mpulsive load、準靜態荷載(quasi2static load和動力荷載(dynam ic l oad。沖量荷載指高峰值、低持時的爆炸荷載,多為近距離爆炸產生;

21、準靜態荷載為低峰值、高持時的爆炸荷載,多為遠距離爆炸產生;而動力荷載一般指峰值和持時介于沖量荷載和準靜態荷載之間的爆炸荷載16。本文研究表明,在沖量荷載作用下,鋼筋混凝土柱傾向于發生剪切破壞;在準靜態荷載作用下,鋼筋混凝土柱則傾向于發生彎曲破壞。而在動力荷載作用下,鋼筋混凝土柱更容易發生彎剪破壞。這是因為,在沖量荷載作用下,由于作用時間很短,剪應力迅速增大到破壞應力而彎曲位移尚未來得及發展,因此,更傾向于發生剪切破壞。而對于準靜態荷載,由于峰值較小,剪切應力也小,但在較長時間里彎曲變形有較大發展,故更傾向于發生彎曲破壞。當然,上述結論只是一些普遍的規律,鋼筋混凝土柱在爆炸荷載下的破411壞模式

22、還與柱的基本屬性有關,比如受剪承載力和受彎承載力的比值等。 圖3鋼筋混凝土柱的破壞模式Fig .3Da mage modes of RC colu mn under blast l oads3動力響應的參數分析利用上述有限元模型,采用參數化分析方法,進一步研究截面慣性矩、混凝土軸心抗壓強度、縱筋配筋率和配箍率等參數對鋼筋混凝土柱在爆炸荷載作用下動態響應的影響。表1給出了各個參數的范圍。作用在鋼筋混凝土柱上的爆炸荷載均為壓強P =5000kPa,沖量I =7500kPa m s 的三角形荷載。表1參數范圍Ta b l e 1R ange o f p a ram e te rs柱截面高度H /mm

23、混凝土軸心抗壓強度f c /MPa 縱筋配筋率配箍率s軸壓比40030MPa 010100100601260040MPa 010* 01280050MPa01020012311截面慣性矩保持鋼筋混凝土柱截面寬度b 不變,通過改變柱截面高度h 來改變柱的截面慣性矩,這樣,就可以在改變截面慣性矩的同時,保證作用在柱面上的荷載相同。圖4給出了柱截面高度h 為400mm,600mm 和800mm (即截面慣性矩分別3120×109mm 4,1108×1010mm 4和2156×1010mm 4時鋼筋混凝土柱在相同爆炸荷載作用下柱中點的水平位移時程曲線,其中柱截面寬度b =

24、600mm,柱高H =4600mm,混凝土軸心抗壓強度f c =40M Pa,縱筋配筋率=01010;箍筋配箍率s=圖4不同截面慣性矩時柱中點水平位移時程曲線Fig .4Comparis on of m id 2height deflecti on of the colu mnwith different cr oss secti on modulus01006。從圖中可以看出,隨著截面慣性矩的增大,柱中點水平最大位移和殘余位移均有顯著減小。這一結果符合客觀判斷,因為增加截面慣性矩能顯著增加柱的抗彎剛度和抗剪剛度,從而降低柱中水平最大位移。同時,隨著截面慣性矩的增大,爆炸荷載作用下,混凝土尚未

25、進入塑性的區域增多,從而有效降低了柱中點水平殘余位移。圖5不同混凝土軸心抗壓強度時柱中點水平位移時程曲線Fig .5Comparis on of m id 2height deflecti on of the colu mnwith different concrete comp ressive strength312混凝土軸心抗壓強度為了研究混凝土軸心抗壓強度對鋼筋混凝土柱動力響應的影響,保持其他參數不變,對三根混凝土軸心抗壓強度分別為30MPa 、40MPa 和50MPa 的鋼筋混凝土柱在同一爆炸荷載作用下的動力響應進行了分析。圖5給出了不同混凝土軸心抗壓強度的鋼筋混凝土柱的柱中點水平位移

26、時程曲線,其中柱截面寬度b =600mm,截面高度h =400mm,柱高H =4600mm,縱筋配筋率=01010,箍筋配箍率s =01006。從圖中可以看出,隨著混凝土軸心抗壓強度的增加,柱中點水平最大位移和殘余位移均會有不同程度的降低,水平殘余位移降低的幅度較大。這是因為,隨著混凝土軸心抗壓強度的增加,在相同的爆炸荷載作用下,混凝土進入塑性的區域顯著減511少,從而有效降低柱中點水平殘余位移。313縱筋配筋率 僅僅改變鋼筋混凝土柱的縱筋配筋率,不同的鋼筋混凝土柱在相同爆炸荷載作用下柱中點的位移時程曲線如圖6所示,其中柱截面寬度b =600mm,截面高度h=400mm,柱高H =4600mm

27、,混凝土軸心抗壓強度f c =40M Pa,箍筋配箍率s =01006。從圖中可以看出,當鋼筋混凝土柱的縱筋配筋率由01010增大到01020時,無論是柱中點的水平最大位移還是殘余位移都沒有得到顯著的降低。這是因為增加鋼筋混凝土柱的縱筋配筋率對鋼筋混凝土柱抗彎剛度和抗剪剛度的影響有限,同時,在這一縱筋配筋率區間,爆炸荷載作用下鋼筋均未屈服,增加鋼筋對其受彎承載力的提高并沒有顯現出來。如果縱筋配筋率繼續降低,爆炸荷載作用下鋼筋屈服,柱中點水平殘余位移可能會有較大增加。 圖6不同縱筋配筋率時柱中點水平位移時程曲線Fig .6Comparis on of m id 2height deflecti

28、on of the colu mnwith different l ongitudinal reinforcement rati o314配箍率通過有限元模擬分析方法,分別得到了箍筋間距為100mm 和200mm 時(配箍率s 分別為01016和01006兩根不同的鋼筋混凝土柱在同一爆炸荷載作用下柱中點的水平位移時程曲線,如圖7所示,其中柱截面寬度b=600mm,截面高度h =400mm,柱高H =4600mm,混凝土軸心抗壓強度f c =40M Pa,縱筋配筋率=01010。從圖中可以看出,減小鋼筋混凝土柱的箍筋間距,雖然說對于降低柱中點水平最大位移的作用有限,但能夠顯著降低柱中點水平殘余位

29、移,這是因為,減少鋼筋混凝土柱的箍筋間距,一方面能夠增加柱的受剪承載力,同時也能通過限制核心混凝土增加其強度,從而限制混凝土塑性的發展,降低柱中點水平殘余位移。由以上分析可見,通過增加鋼筋混凝土柱的截面慣性矩、混凝土軸心抗壓強度和配箍率均能在一定程度上提高鋼筋混凝土柱的抗爆性能。而進行鋼筋混凝土柱抗爆設計時,不需特別考慮增加縱筋配筋率,縱筋配筋率只須滿足鋼筋混凝土柱正常承載力要求即可。圖7不同箍筋配筋率時柱中點水平位移時程曲線Fig .7Comparis on of m id 2height deflecti on of the colu mnwith different transverse

30、 reinf orce ment rati o4結論(1在爆炸荷載作用下鋼筋混凝土柱可能發生彎曲破壞、剪切破壞或彎剪破壞。在沖量荷載作用下,鋼筋混凝土柱傾向于發生剪切破壞;在準靜態荷載作用下,鋼筋混凝土柱則傾向于發生彎曲破壞;而在動力荷載作用下,鋼筋混凝土柱更容易發生彎剪破壞。(2提高柱截面慣性矩和混凝土軸心抗壓強度,能夠顯著降低鋼筋混凝土柱在爆炸荷載下的柱中水平位移;增加柱的截面慣性矩、混凝土軸心抗壓強度和配箍率,均能在一定程度上提高鋼筋混凝土柱的抗爆性能。(3進行鋼筋混凝土柱抗爆設計時,不需特別考慮增加柱的縱筋配筋率,縱筋配筋率只須滿足鋼筋混凝土柱正常承載力要求即可。參考文獻1L i Zh

31、ongxian,Du Hao,Bao Chunxiao .Review of currentresearches on blast l oad effects of building structures in China J .Transacti ons of Tianjin University,2006,12(Supp l .:35241.2Sun J ianyun,L i Guoqiang,Lu Yong .Nu merical si m ulati onof res ponse of SRC colu mns subjected t o blast l oadingJ .Transa

32、cti ons of Tianjin University,2006,12(Supp l .:1262131.3杜林,石少卿,張湘冀等.鋼管混凝土短柱內部抗爆炸性能的有限元數值模擬J .重慶大學學報,2004,27(10:1422144.(Du L in,Shi Shaoqing,Zhang Xiangji,et al .FE A about capacity of resisting ex p l osi on inside of short concrete colu mn with steel tube confined J .Journal of Chongqing Universit

33、y,2004,27(10:1422144.(in Chinese 4Morrill K B,Malvar L J,Cra wf ord J E,et al .B lastresistant design and retr ofit of reinforced concrete colu mns and walls C /Pr oceedings of the 2004Structures Congress Building on the Past:Securing the Future,611Nashville, TN , USA: 1478. 5 L i Q M , M eng H. Pul

34、se loading shape effects on p ressure2 freedom structural model J . 6 u C, Hao H. Modeling of sim ultaneous ground shock and W air blast p ressure on nearby structures from exp losions J . International Journal of I pact m ( 6 : 699 2 Engineering, 2005, 31 717. 7 Technical M anual ( T 2 M5 1300 . To

35、 resist the effect of accidental exp losionsM . Depart ent of the A rmy, Navy m and the A ir force, W ashington, DC, 1990. Hao Hong, L i Zhong2 Xian. 8 Shi Yanchao, Numerical 9 LS2 DYNA. 2006. 10 M alvar L J, Ross C A. Review of strain rate effects for of I pact Engineering, 2007 2 , http: / / dx doi org / m 09 . . 10. 1016 / j ijimpeng 2007. 09. 001. . . California: L ivermore Soft are Technology Cooporation, w Keyword user manual M . L ivermore, s derivation of p ressure 2i pulse diagram s for p rediction of RC m column damage to blast loads J /OL . International Journa