爆炸荷载作用下超高性能钢筋混凝土柱的耗能机理研究.pdf

2 0 1 5 年 第 9期 (总 第 3 1 1期) N u mb e r 9 i n 2 0 1 5 ( T o ta l No 3 1 1 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 T HE0RETI CAL RES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 5 0 9 0 1 5 爆炸荷载作用下超高性能钢筋混凝土柱 的耗能机理研 究 郭红梅 ，田慧 ，张海 ， 徐慎春 ( 1 天津城建大学 土木工程学院， 天津 3 0 0 3 8 4； 2 天津城市建设管理职业技术学院 建筑工程系，天津 3 0 0 1 3 4 ) 摘要： 为了进一步明确超高性能钢筋混凝土的抗爆性能 ， 以超高性能钢筋混凝土柱为研究对象 ， 研究其在爆炸荷载作用下的 耗能机理。 利用有限元软件 L S D Y N A建立精细化数值模型 ， 分析 了爆炸荷载作用下超高性能混凝土柱的总能量及各组分能 量的变化规律， 从而得出其耗能规律。 研究结果表明： 爆炸冲击波作用下 ， 超高性能钢筋混凝土柱 中能量变化与应力波传播密切 相关； 超高性能钢筋混凝土能量占据柱结构能量的绝大部分 ， 钢筋仅仅 占据了其很少部分 的能量 ； 总能量中以内能最大 ， 动能次 之 ， 沙漏能最小。 因此 ， 对于超高性能钢筋混凝土柱的抗爆能力而言 ， 超高性能混凝土的性能作用十分关键 。 关键词 ： 超高性能混凝土； 耗能机理 ； 爆炸荷载 ； 数值模拟 中图分类号 ： T U 5 2 8 0 1 文献标志码 ： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 5 ) 0 9 0 0 5 4 0 5 E n e r g y di s s i p a t i o n s t u d y o f u l t r a h i g h p e r f or ma n c e c o n c r e t e c o l u mn s u n d e r b l a s t l o a d i n g GUO Ho n g me i ， T I AN Hu i。 ，ZHANG Ha i ， XU S h e n c hu n ( 1 C o l l e g e o f C i v i l E n g i n e e ri n g ， T i a n j i n C h e n g J i a n U n i v e r s i t y ， T i a n j i n 3 0 0 3 8 4 ， C h i n a ； 2 D e p a r t m e n t o f A r c h i t e c t u r a l E n g i n e e ri n g ， T i a n j i n Ur b a n C o n s t r u c ti o n Ma n a g e me n t a n d Vo c a ti o n T e c h n o l o g y C o l l e g e ， Ti a n j i n 3 0 0 1 3 4， C h i n a ) Abs t r ac t： I n o r d e r t o i n v e s t i g a t e t h e e x p l o s i o n r e s i s ta n c e pe r f o r man c e o f u l t r a h i g h p e rfo r ma n c e r e i n f o r c e d c o n c r e t e， the ul t r a h i gh p e rf o rm a n c e c o n c r e t e ( UHP C)c o l u mn e n e r g y d i s s i p a t i o n me c h a n i s m wa s o b j e c t e d t o s t u a y u n d e r the b l a s t l o a d i n g Ac c u r a t e n u me ri c a l mo d e l s wa s s e t u p b y th e fi n i t e e l e me n t s o f t wa r e L SDYNA c a n b e u s e d t o a n a l y z e t h e t o t a l e n e r g y o f u l t r ah i 曲 p e rf o rm a n c e c o n c r e t e c o l u m n s a n d t h e v a r i a t i o n d i s c i p l i n e s o f e a c h c o m p o n e n t o f e n e r g y The r e s u l t s s h o w th a t the e n e r g y c h a n g e o f UHPC c o l umn i s c l o s e l y r e l a t e d to the s tr e s s wa v e p r o p a g a t i o n wi t h the b l a s t l o a d i n g T h e ma j o r i t y o f the e n e r g y wa s o c c u p i e d b y the UHP C a n d the r e s t e n e r g y wa s h o l d by the fix t u r e I n th e t o tal e n e r g y， i n t e r n al e n e r g y i s the mos t ， k i n e t i c e ne r g y i s the m o r e Ho u r g l a s s e n e r g y i s the mi n i mi z e d Th e r e f o r e the k e y t o th e a n ti k n oc k a b i l i t y o f u l tra h i g h p e r f o rm a n c e r e i n f o r c e d c o n c r e t e c o l u m n s i s t h e p e rfo rm a n c e o f u l tra h i g h p e r f o rm a n c e c o n c r e t e Ke y wor d s： u l t r a h i g h p e rf o r man c e c o n c r e t e ； e n e r g y d i s s i p a t i o n； b l a s t l o a d； n u me ri c a l s i mu l a t i o n 0 引言 近些年 ， 恐怖袭击事件在世界各 地频发 ， 人类 活动 中 易燃易爆物 品意外爆炸时有发生 ， 这些严 重威胁人们 的生 命财产安全 。 爆炸冲击波作用 到周边建 筑上 ， 引起建筑 物强烈的震荡而失去 承载能力 ， 最后破坏 ， 引发严 重的后 果 。 因此建筑结构抗爆防爆能力的提升成为 了一个亟 待解决的问题。目前大部分的建筑结构抗爆性能研究都是 围绕普通钢筋混凝土建筑展开的 ， 对超高性能钢筋混 凝土建筑在爆炸荷载作用下 的动力响应及其抗 爆性能的 研究较少。 因此通过改善混凝土性 能， 提 高材料的抗爆性 能， 研究超 高性能混凝土 的抗 爆机理 ， 为超高性 能混凝土 结构抗爆 防爆设计提供有效支撑 ， 成 为亟待解决 的课题 。 本研究 以超高性能混凝土柱为切入点 ， 通过有 限元软 件 L S D Y N A， 建立超高性能钢筋混凝土柱 的数值模 型 ， 根据推导得到的材料本构关系 ， 分析该模型在爆炸荷载作 用下的耗能机理 ， 从而为超高强混凝土柱 的抗爆机理及能 力分析提供必要 的理论依据 。 1 材料本构 关 系 1 1 超 高性能混凝土本构模 型推 导 运用非线性显式动力有限元分析 软件 L S D Y N A对 超高性能混凝土材料基本力学性能进行数值模拟 ， 从而得 出材料的本构关系。 为了将超高性能混凝土应用于数值分 析 当中 ， 首先运用有限元数值分析的方法推导 了超高性能 混凝土的材料模型参数 。 材 料模 型采用 K C材料模 型的改 进 型 ， 即 7 3 R 3( MATC ONC R E T EDA MAGE R E L 3 ) 材料模型。 收稿 日期： 2 0 1 4 1 2 1 1 基 金项 目： 国家 自然科学基金 ( 5 1 2 7 8 3 2 6 ) ； 天津市高校“ 优 秀青年教师资助计划 ” 资助 5 4 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 来进行 ( 0为只有随动强化 ， 1 为只有等 向强化 ) ， 同时该模 型还包括材料 的应 变率 效应和其在强烈荷 载作 用下 的失 效问题。 研究表明 ： 爆炸荷载作用下 ， 钢筋混凝土柱在承受 爆炸荷载时混凝土的应变率效应更为明显 ， 因此分析过程 中没有考虑钢筋 的应变率效应 。 同时 ， 在 爆炸荷载作用下 钢筋可能断裂失效 ， 因此设 置了钢筋 的失效 准则 ， 以等效 塑性应变为其失效准则 ， 即当其等效塑性应变达到 0 7时 认为其失效。 在有 限元分析 中具体表现 为 ： 当钢 筋的等效 塑性应变达到0 7时， 程序 自动将其删除。 考虑到在实际 柱中纵筋和箍筋往往不会采用 同一级别的钢筋 ， 故纵筋和 箍筋采用不同的模型参数。 这里将钢筋均取用低合金超高 强度钢 ， 纵筋材料模 型参数为 ： 密 度为 7 8 3 0 k g m ， 弹性 模量为 2 0 G P a ， 屈服强度为 1 0 8 0 MP a ， 泊松 比为 0 2 8 ； 箍 筋材 料 模 型参 数 为： 密 度 为 7 8 3 0 k g m ， 弹 性 模 量 为 2 0 G P a ， 屈服强度为 5 0 0 MP a ， 泊松 比为 0 2 8 。 2 有限元模型建立 运用通用有 限元显示动力分析软件 L S D Y NA， 建立 了某典 型超 高性 能 钢 筋 混 凝 土 柱 的分 离 式 有 限 元 模 型 ， 如图 5所示 。 图中， b为柱迎爆 面宽度 即柱 宽 ； h为 柱截面高度即柱深 ； a为混凝土保 护层厚度 ； 日为柱净高 ； S 1 、 S 2 为箍筋间距 。 柱 l I lU H P C _柱 脚 爆炸 波方 向 ( a ) U HP C 柱外 形( b ) UH P 钢筋 柱分离 式模 型 ( c ) 柱截 面尺寸 图 5 钢筋混凝土柱的有限元模型 为准确模拟柱在实际建筑结构 的所受 的约束 ， 在有 限 元模型中建立了柱头和柱脚 ， 如 图 5所 示 ， 柱头和柱脚 四 周水平方 向的位移被约束 ， 柱脚底 面竖直方 向的位移被约 束。 实际建筑中柱结构在受到意外爆 炸荷载作用之前的受 力状态 ， 采用 L SD Y N A 中的动力 释放算法 对柱进行应 力初始化 。 3 爆炸荷载 的简化 超高性能钢筋混凝 土柱在 爆炸荷载作用 下 的动力 响 应分析 中， 爆炸 冲击波对超高性能钢筋混凝土柱的作用 特 点与 自由空气爆 炸冲击波对超高性 能钢筋混凝土柱 的作 用特点十分类似 。 因此 ， 采用 了被 广泛接受 的假 设 ： 在研究钢筋混凝土结构在爆炸荷载作用下 的动力响应时 ， 采用理想化的三角形荷载来模拟爆炸荷载 ， 均匀作用在 面 向爆炸波方向的柱面上。 4 超高性能钢筋混凝土柱对能量的吸收规律 在有 限元模 型 中没有 设置接 触 ， 也没 有设置 理想 刚 56 - 体 ， 因此 ， 理论上所 分析的超高性 能钢筋 混凝 土在爆炸荷 载作用下的总能量为三种能量的和， 包括动能、 内能和沙 漏能。 此外 ， 由于 L SD Y N A 中在 结果 A S C I I 文 件 G L - S T A T与 MA T S U N 中计算 能量的方法稍 有不同 ， 两者 之 间的数值会有略微的差别。 因此， 在研究超高性能钢筋混 凝土柱整体能量变化时采用 G L S T A T中的结果 ， 而研究超 高性能钢筋混凝土柱各组分能量变化时采用 MA T S U N 中 的结果 ， 两者虽略有不同 ， 但是并不影响说 明能量 的变化 规律。 4 1 超 高性能钢筋混凝土柱整体 能量变化 通过对超高性 能混凝土柱 整体能量变化 的模拟 ， 进而 研究超高性能钢筋混凝土柱对爆炸波所做功的消耗能力， 以便从能量角度分析超高性能钢筋混凝土柱的抗爆性能。 图6给 出了超高性能钢筋混凝土在爆炸荷载( T N T当 量为 2 0 k g ， P = 2 4 8 3 MP a ， I r = 3 8 9 MP a m s ) 作用下 的 总能量与爆炸冲击波输入能量 的比较 曲线 ， ( 右侧为其局 部放大 图) ， 图 7给出了两者的 比率。 图中可 以看 出， 柱总 能量与爆炸冲击波输入能量 的时程曲线几乎重合 ， 两者之 间的比值接近 1 。 O 时 间 ms 图6总能量与爆炸冲击波输入能量时程曲线 1 0 0 O 0 褂9 9 9 9 9 9 9 8 99 97 U 1 0 20 3U 40 )o oo 时 间 ms 图 7总能量与输入能量之比 图 8给出了超高性能 钢筋混 凝土柱在 同一爆 炸荷载 作用下的总能量 、 动能、 内能和沙漏能 的时程曲线 ， 图 9给 出了上述三类能量所 占总能量 的百分 比。 可 以看出 ， 动能 、 内能和沙漏能三种能量 的总和与总能量 的 比值几乎为 1 ， 即说 明总能量 由动 能、 内能和沙漏能三种能量组 成 ， 与理 论分析一致 。 同时 ， 超高性能钢筋混凝土 柱在爆 炸荷载作 用下 的动能和内能上升都非常快 ， 内能达到峰值 的时间滞 后于动能到达峰值的时间( 动能达到峰值时约为 0 4 m s ， 内能到达峰值时间约为 2 4 ms ) 。 沙漏能虽有增长 ， 但增长 缓慢 ， 且小 于总能量 的 5 。 同时 ， 动能衰减较快 ， 最终趋于 小幅值振动 ， 内能经过快 速上升 后也趋于小幅值振荡 。 在 7 6 5 4 3 2 1 h 咖 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 0 8 m s 以内， 动能所 占总能量 比例最大 ， 内能次之 ， 沙漏 能 最小 。 之后 ， 内能所 占总能量 比例逐渐增 大 ， 动能次之 ， 沙 漏能仍然最小。 时 间 ms 图8柱各部分能量时程曲线 时 间 ms 图 9 柱各部分能量占总量的比率时程曲线 4 2 超高性能钢筋混凝土柱各组分能量变化规律 通过研究超高性能钢筋混凝土柱各组 分的能量变化 ， 进而研究超高性 能钢筋混凝 土柱各组成部分对 爆炸波所 做功的耗能规律 ， 以便从组分 的耗能能力方 面分析超 高性 能钢筋混凝土柱 的抗爆性能 。 图 1 0给 出 了超 高 性 能 钢 筋 混 凝 土 柱 在 爆 炸 荷 载 ( T N T当量为 2 O ， P = 2 4 8 3 MP a ， ， r = 3 8 9 MP a ms ) 作 用下各组分的总能量变 化规律。 图 1 1给出 了各组分 总能 量占柱总能量的比重时程曲线。 由图可以看出， 超高性能 混凝 土能量增加 十分迅速 ， 在 0 4 ms 时达 到峰值 ， 这与应 力波传播时间相一致 ， 之 后小幅值振荡 。 钢筋能量始终 呈 现出小幅值波动的特征。 此外 ， 超高性 能混凝土承担 了柱 总能量的大部分 ， 高达 9 8 ， 而钢筋只承担 了仅仅 2 的剩 余能量。 图 1 O 组成材料总能量时程曲线 图 1 2给出 了超 高性 能混凝 土各 形式 能量 的 时程 曲 线 ， 图 1 3 给 出了超高性能 混凝土不 同形 式的能量 占其总 能量 比重的时程曲线。 可 以看出 ， 混凝土各形式 能量变化 规律与柱整体各形式能量变化规律类 似。 具体 表现为 ， 动 能在 0 4 ms 时 迅速 达 到峰值 ， 而 内能 达到 峰值 的时 间 ( 2 4 ms ) 则滞后于 动能达到 峰值 的时间。 沙 漏能 虽有增 长 ， 但增长缓慢。 同时 ， 动能衰减较快 ， 最终趋于小 幅值振 动 ， 内能经过快速上升后保持高峰值小幅值振荡。 此外 ， 在 0 8 ms 以内， 动能所 占总能量比例最大 ， 内能次之 ， 沙漏 能 最小 。 之后 ， 内能所 占总能量 比例迅速增大 ， 动能 次之 ， 沙 漏能仍然最小 。 时 间 ms 图 1 1 组成材料总能量比重时程 曲线 时间 ms 图 1 2混凝土各形式能量时程曲线 时 I司 ms 图 1 3混凝土各形式能量占总能量比重的时程 曲线 图 1 4给出了钢 筋不 同形式 的能量 的时程 曲线 ， 图 1 5 展示了钢筋不 同形式的能量 占其总能量 比重的变化规律。 分析可 以得出钢筋的总能量 峰值不 大 ， 并且 呈现出大幅值 振荡的特征 ； 动 能在 0 4 m s时迅速 增大 到峰值 ， 之后 快 速衰减 ， 维持小幅值波动 ； 内能到达峰值的时间( 2 4 m s ) 时 间 ms 图 1 4 钢筋各形式能量时程曲线 57 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 图 1 5钢筋 各形 式能 量 占其总 能 比重 时程 曲线 明显滞后于动能到达的时间 ， 之后维持长时间较大 幅值振 荡 。 此外 ， 在 0 8 m s以内钢筋 的动能 占其总能量的主导地 位 ， 之后内能迅速 占据主导地位 。 由此可 以发 现由钢筋承 担 的那部分 爆炸 冲击波所做 功 ， 大 部分转 化成 了钢筋 内 能 ， 只有很小一部分转化成了钢筋动能 。 5 结 论 本研究利用推导得到的材料本构关 系， 建立合理 的数 值模型 ， 研究 了爆炸荷载作用下超高性 能钢筋混凝土柱 中 能量组成部分及材料组分能量的变化规律 ， 进而研究爆炸 荷载作用下超高性能钢筋混凝土柱耗能机理 。 在研究过程 中， 超高性能混凝土与钢筋采用分 离式模型 ， 没有 考虑钢 筋与超高性能混凝土的黏结滑移。 研究表明： ( 1 ) 通过理论推导与数值分析结合的方法， 得到了超 高性能钢筋混凝土 的本构关系。 超高性能钢筋混凝土的抗 压 、 抗拉强度 明显 大于普通混凝 土 ， 应变达 到 0 0 2 5左 右 时材料达到极限状态 ， 延性较普通混凝土有所提高 。 ( 2 ) 超高性能钢筋混凝土在爆炸荷 载作用下的总能量 为三种能量的和 ， 包括动能 、 内能和沙漏能 ， 理论与有限元 分析结合相同。 并且所有的能量时程 曲线都表 明， 能量 的 变化与应力波传播是密切相关的 ， 时间上高度吻合 。 ( 3 ) 爆炸冲击波对超高性能钢筋混凝土柱所做的功几 乎全部转化为柱 的总能量 ， 且内能 占总能量 的比例最大。 ( 4 ) 爆炸 冲击荷 载作用下超高性能钢筋混凝土柱中混 凝土分担 了柱总能量的 9 8 ， 而钢筋只承担 了2 。 提高超 高性能钢筋混凝 土柱的耗能能力对其 柱结构 的抗爆性 能 将有显著的影响。 参考文献 ： 1 史春芳， 徐赵东 工程结构抗爆技术的研究现状 J 西安建筑 科技大学学报 ： 自然科学版 ， 2 0 0 7 ， 3 9 ( 5 ) ： 6 1 6 6 2 0 上接第 5 3页 9 肖建庄， 雷斌 ， 袁飚 不同来源再生混凝土抗压强度分布特征 研究 J 建筑结构学报 ， 2 0 0 8 ， 2 9 ( 5 ) ： 9 4 1 0 0 1 0 R O O S F A c o n t ri b u t i o n f o r t h e c a l c u l a t i o n o f c o n c r e t e w i th r e c y c l e d a g g r e g a t e a c c o r d i n g t o D I N 1 0 4 51 D MS n c h e n ： T e c h n i c a l Un i v e r s i t y o f MS n c h e n， 2 0 0 2 1 1 X I A O J Z ， L I J B， Z H A N G C O n r e l a ti o n s h i p s b e t w e e n th e m e c h a n i c a l p r o p e g i e s o f r e c y c l e d a g g r e g a t e c o n c r e t e ： A n o v e r v i e w l- J Ma t e r i a l s a nd S t r u c t u r e s ， 2 0 0 6。 3 9： 6 5 566 4 58 2 - 1 B A Z A N T Z P Z H O U Y Wh y d i d th e w o r l d t r a d e c e n t e r c o l l a p s e 一s i m p l e a n a l y s i s J J o u r n a l o f E n g i n e e ri n g Me c h a n i c s ， 2 0 0 2 ， 1 2 8 ( 1 ) ： 2 6 3 C O R L E Y W G L e s s o n s l e a r n e d o n i m p r o v i n g r e s i s t a n c e o f b u i l d i n g s t o t e r r o ri s t a t t a c k s J J o u r n a l o f P e r f o r m a n c e o f C o n s t r u c t e d F a c i l i t i e s ， 2 0 0 4 ， 1 8 ( 2 ) ： 6 8 7 8 4 李砚召 ， 王肖钧 ， 张新乐 ， 等 预应力混凝土结构抗爆性能试验 研究 J 实验力学， 2 0 0 5 ， 2 0 ( 2 ) ： 1 7 9 1 8 5 5 师燕超 ， 李忠献 爆炸荷载作用下钢筋混凝土柱的动力响应与 破坏模式I- J 建筑结构学报 ， 2 0 0 8 ， 2 9 ( 4 ) ： 1 1 21 1 7 6 S H I Y C， L I Z X D y n a mi c r e s p o n s e s a n d f a i l u r e mo d e s o f R C c o l u mn s u n d e r b l a s t l o a d i n g J J o u rnal o f B u i l d i n g S t r u c t u r e s ， 2 0 0 8 ， 2 9 ( 4 ) ： 1 1 2 1 1 7 r 7 x u z， H A O H， L I H N D y n a m i c t e n s i l e b e h a v i o u r o f fi b r e r e i n f o r c e d c o n c r e t e w i th s p i r a l fi b r e s J Ma t e r i a l s a n d D e s i g n ， 2 01 2 4 2： 7 28 8 8 石少卿 ， 康建功 ， 汪敏 A NS Y S L SD Y N A在爆炸与 中 击领域 内的工程应用 M- I 2 0 1 1 9 MA G A L L A N E S J M， wu Y， MA L V A R L J ， e t a 1 R e c e n t i m p r o v e m e n t s t o r e l e a s e I I I o f t h e K a n d C c o n c r e t e m o d e l c 11 th i n t e r na t i o n a l LS DYNA Us e r s c o n f e r e n c e， 2 01 0： 6 8 I O G O N G S ， L u Y， T u Z ， e t a 1 V a l i d a t i o n s t u d y o n n u m e ri c a l s i mu l a t i o n o f RC r e s p o ns e t o c l o s e i n b l a s t wi th a f u l l y c o up l e d m o d e l J S t r u c t u r a l E n g i n e e ri n g a n d Me c h a n i c s ， 2 0 0 9 ， 3 2 ( 2 ) ： 28 33 0 0 1 1 王宝民 纳米 S i O 高性能混凝土性能及机理研究 D 大连 ： 大 连理工大学， 2 0 0 9 1 2 高轩能， 刘颖， 王书鹏 基于 L S D Y N A的大空间柱壳结构爆 炸波压力场分析l- J 振动与；中击， 2 0 1 1 ， 3 0 ( 9 ) ： 7 0 7 5 1 3 S MI T H P D， R O S E T A B l a s t w a v e p r o p a g a t i o n i n c i t y s t r e e t s a n o v e r v i e w J P r o g r e s s i n S t r u c t u r a l E n g i n e e ri n g a n d Ma t e r i a l s ， 2 0 0 6 ， 8 ( 1 ) ： 1 6 2 8 1 4 3 龚顺风， 夏谦， 金伟良 近爆作用下钢筋混凝土柱的损伤机理 研究 J 浙江大学学报 ： 工学版 ， 2 0 1 1 ， 4 5 ( 8 ) ： 1 4 0 5 1 4 1 0 第一 作者 联 系地址 联 系电话 郭红梅( 1 9 7 7一) ， 女 ， 讲师， 硕士， 主要研究新型建筑 材料在结构工程中的应用。 天津市西青区津静公路 2 6号( 3 0 0 3 8 4 ) 1 3 75 2 3 3 8 5 9 2 第一作者 联 系地址 联 系电话 通讯作者 联 系电话 ： 朱平华( 1 9 6 6一) ， 男 ， 工学博士 ， 教授 ， 主要从 事混凝 土结构耐久性研究。 常州市武进区科教城( 2 1 3 1 6 4 ) 1 3 58 5 3 0 9 51 9 王新杰( 1 9 7 8一) ， 男 ， 工学博士 ， 讲师 ， 主要从 事混凝 土结构耐久性研究。 1 3 7 7 6 8 5 6 9 5 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m