董子健

20世纪90年代以来,恐怖袭击有在全球范围内迅速蔓延的严峻趋势。爆炸事件频繁发生,随着我国经济的快速发展,越来越多国际化大都市的出现,越来越多的重要建筑物都可能成为恐怖分子制造恐怖事件的理想场所和重点目标。为了抵御恐怖爆炸袭击的破坏,提高建筑物的抗爆性能成为现在当务之急的措施之一。抗爆研究主要集中在爆炸作用原理、材料动态本构关系、构件抗爆性能、整体结构连续性倒塌和建筑物的抗爆防护措施等方面,然而,钢筋混凝土柱作为钢筋混凝土结构的重要受力构件,其承载能力往往关系整个结构的安全性。所以对柱进行抗爆研究,提高其抗爆性能,具有重要意义。

1 有限元模型的建立

1.1 材料参数

炸药采用HIGH-EXPLOSIVE-BURN模型,JWL状态方程如下,有关参数见表1。

表1 TNT炸药模型材料参数

空气采用NULL材料模型以及LINEAR-POLYNOM IAL状态方程加以描述。线性多项式状态方程为:

其中,P为压力;V为相对体积;E为单位体积内能。

钢筋本构模型采用LSDYNA中的三号材料模型,即随动强化模型,关键字为*MAT-PLASTIC-KINEMATIC。

混凝土本构模型采用H-J-C模型。

1.2 单元选择

混凝土单元采用SOLID164,LS-DYNA定义单元算法的关键字段成为*SECTION-SOLID-ALE。钢筋单元采用Beam161梁单元,算法公式采用Hoghes-Liu梁单元。

1.3 计算模型

计算模型见图1,图2。根据爆炸冲击荷载的特点,取三种典型爆炸冲击波进行分析,如表2所示。

表2 RC柱加载情况表

2 计算分析

2.1 不同炸药量对结构产生的影响

取4种炸药当量19.7 kg,30.50 kg,45.5 kg,83.7 kg,从图3中可以看出,当炸药量增大,柱中点X向位移和残余位移均显著增大,主要是因为冲击波反射峰压随炸药量的增加而增大。位移最大值—炸药当量曲线呈现二次曲线形态,这主要是由RC柱抗侧刚度的非线性引起的。

2.2 不同炸药距离对结构产生影响

将炸药当量固定为83.7 kg,其余不变。图4给出了不同距离下RC柱中点X向的位移时程曲线图。当爆炸距离从5 m增加到8 m,柱中位移从8.4 cm降低到1.0 cm,由此说明爆炸距离也是构件的动力响应的主要因素。

2.3 不同混凝土轴心抗压强度对结构产生的影响

对混凝土强度分别为20 MPa,25MPa,30 MPa,40 MPa的RC柱在工况3-1爆炸荷载作用下的动力响应进行分析,见图5。

混凝土强度从C20增加到C30时,RC柱中点的X向最大位移和残余位移下降有限,但到C40时残余位移较C30就显著下降。这个主要是因为从C20～C30,RC柱在爆炸荷载下均发生剪切破坏,混凝土强度的增长对其抗爆性能的提高影响有限。

2.4 不同轴压比对结构产生的影响

在较小爆炸荷载下保持其他参数不变,仅仅改变轴压比,RC柱中点X方向位移时程曲线如图6所示。

当柱子轴力较小时,相当于给了混凝土构件一个预压力,可以有效推迟混凝土受拉区单元在爆炸荷载下的破坏,从而提高了混凝土的抗爆性能。

3 结语

1)提出一种新的简化计算模型,其考虑了柱周围构件的约束作用,分析结果具有较高的计算精度;2)影响钢筋混凝土柱动力响应最大的外部因素是爆炸距离,因此,防爆最重要的措施是保证建筑的安全距离;3)提高混凝土轴心抗压强度可以显著降低钢筋混凝土柱在爆炸荷载下的柱中水平位移;4)当爆炸荷载较小时,轴压比对钢筋混凝土柱的抗爆性能有很大影响,当轴压比低于0.5时,其对柱的抗爆性能有利,当轴压比大于0.5时,则容易导致柱因中部混凝土压碎而破坏。

[1]Baker,W.E..Explosion in air.University of Texas Press,Austin,Texas,1973.W.E[M].江 科,译.北京:原子能出版社,1982.

[2]LS-DYNA Version 971.Livermore Software Technology Corporation,2006.

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[4]T.D.Ngo,P.A.Mendis Behavior of high-strength concrete columns subjected to blast loading.University of Melbourne,Australia.

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