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钢筋混凝土柱抗爆性能研究.pdf

上传人:fus****123 文档编号:53955 上传时间:2021-06-16 格式:PDF 页数:2 大小:200.64KB
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1、许峰等: 钢筋混凝土柱抗爆性能研究 钢筋 混凝土柱抗爆 性能研究 许峰 , 朱升波 ( 1 浙江天地环保 - r 程有限公司 杭 州3 1 0 01 2; 2 浙江大 学结构 T程研究所 杭州3 1 0 0 5 8) 【 摘要】 计算机计算能力的提高, 使得混凝土结构在遭受爆炸等极端冲击荷载作用下复杂响应的高精度 模拟成为可能。本文采用流体动力学软件 A U T O D Y N , 考虑气体和结构间的流固耦合作用, 对爆炸荷载作用下钢 筋混凝土柱的抗爆性能进行了数值模拟, 通过不同的工况的比较, 分析了钢筋混凝土柱的破坏模式。 【 关键词】 爆炸荷载; 钢筋混凝土; 冲击波 ; 数值模拟 【

2、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 6 0 0 1 1 0 0 2 A U T O D Y N是一个显式有限元分析程序, 用以解 决固体、 流体和气体及其相互作用的高度非线性动力 学问题。它提供很多高级功能, 针对爆炸毁伤分析有 着独特的优势 , 具有深厚的军工背景。柱是钢筋混凝 土结构中重要的受力构件 , 当爆炸在柱表面发生时, 这 种具有巨大能量的冲击作用将造成损伤和破坏, 而柱 的破坏特别是框架结构中底层柱的失效可能导致整 体结构的连续坍塌。本文运用 A U T O D Y

3、 N软件对爆炸 作用下钢筋混凝土柱的破坏模式进行了数值模拟 , 分 析比较了不同爆炸荷载下钢筋混凝土柱的破坏特征, 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。 1 数值模型 根据实际尺寸建立有限元数值分析模型, 柱高为 4 0 m, 截面为 0 4 m 0 4 m, 纵筋采用 4 p 2 0 , 箍筋 p 1 0 , 间距为 2 0 0 m i l l , 柱子两端固定, 炸药置于离地面 1 0 m、 柱前 1 0 m处 。空气采用 E u l e r 网格模拟 , 其 中空气有 9 8 , 8 0 0个单元。本模型是分离式模型, 把钢筋和混凝 土作为不同的单元处理, 在爆炸荷

4、载作用下, 由于作用 的时间非常短暂, 假定钢筋和混凝土之间的粘结是完 好的。混凝土和钢筋采用 L a g r a n g e网格来模拟 , 其中 混凝土单元数为 5 5 1 , 9 6 0 , 纵筋 为 7 , 2 1 6 , 箍筋为 2 , 8 1 2 , 如图 1 所示。固定底部的空气来模拟地面反射, 其它面的空气定义为 自由流出。在计算过程 中, 由于 混凝土单元的大变形会导致 网格的扭曲, 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, 这种算法将失效的混凝土单元 t l 动删除, 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,

5、 当然 更避免了由于网格严重扭曲而产生的相交, 出现负质 量而造成的计算终止。 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 m a 准则, 其可以表示为: P =( 一1 ) p p o E ( 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 L状 态方程来描述爆轰过程中压力和相对体积的关系 】 : P = ( 1一 ) e

6、+B( Z一 ) e + ( 2 ) 式中, P为爆炸产生的压力; V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 r I 炸药 , P= 1 6 3 0 k g m , E=6 01 0 J m , A=3 7 3 71 0 G P a , B= 3 7 4 7GPa, Rl=4 1 5, R2=0 9, t O=0 3 5。 图 1 钢筋混凝土柱的数值计算模型 2 2钢筋 钢筋采用 J C模型 3 】 , 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

7、可以达到 5 0 1 0 0 s 。J c本构模型可表示为: = A+曰 g : 1+c ln p ( 3 ) 式中, s 为等效塑性应变; 为等效塑性应变率 , 。为参考 塑性应变率 , 取 =l s 。 A表示屈服强度 , C 1 2 低温建筑技术 2 0 1 0年第 6期 ( 总第 1 4 4期 ) 为应变率敏感参数 , A :3 3 5 MP a , B =2 1 9 M P a , 7,= 0 2 6 , C:0 0 1 4 。 失效应变取为0 1 。 2 _ 3混凝 土 混凝土采用 A U T OD Y N软件材料库中的 C O N C 一 3 5 M P A材料模 型 , 该 模

8、 型包括 P 状 态方 程 , R H T强度模型和损伤模型以及侵蚀算法, R H T强度模 型通过三个不 同的 失效 面来 表 示混 凝 土材 料具有 初 始屈服强度、 峰值失效强度及峰值后残余强度的特性, 能较为合理地描述混凝土从弹性到失效的整个过程, 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 5 1 0 k g m , 抗压 强度为 3 5 0 MP a , 抗拉 强度为 3 5 M P a , 剪切模量 G为 1 6 71 0 MP a 。 3数值模拟结果分析 图 2给出了不 同炸 药量情况下不同时刻 钢筋混凝 土柱 的破坏效果 图

9、, 在 1 0 k g T N T爆 炸荷载作用下 , 正 对爆心区域柱表层的混凝土出现部分失效, 柱背爆面 混凝土在拉伸波作用下出现较多的裂缝, 钢筋混凝土 柱整体发生弯 曲破坏 。由图 3可知 , 在 5 0 k g T N T爆炸 爆炸后 0 0 ,1 0 , 3 0 , 5 0 m s( 从左至右 ) 图 2 l O k gT N T作用下 R C柱的破坏过程 荷载作用下, 钢筋混凝土柱柱脚处在较大的拉力和剪 力下发生混凝土的冲剪破坏, 伴随有混凝土碎片的崩 塌和飞散, 这些剥落的碎块以较高的速度飞行, 对防护 结构内的人员和设备会带来较大的威胁, 随后柱子端 部 钢筋 屈服 , 由于

10、约束 减弱 致柱 的端部 破坏 较严 重。 在 1 0 0 k g T N 1 爆炸冲击波荷载作用下 , 正对爆心区域 柱表层的混凝土首先开始迅速剥落, 并沿柱表面扩散, 部分纵筋开始外露, 随着柱子横向变形的进一步发展, 在柱高 1 O m处 、 柱 长度 中 间部 位 及靠 近柱 顶 1 4长 度位置 出现垂直于柱轴向的横 向贯穿裂缝 。通过对近 爆作用下钢筋混凝土柱损伤发展过程的分析可知, 炸 药量越大, 破坏越严重, 破坏模式由弯曲破坏转变为以 冲切为 主的破坏 , 同时, 柱子 正面破 坏越严重 , 背 面裂 缝开展减少。由于混凝土的开裂主要与冲击波的峰值 超压有关 , 故钢筋混凝土

11、柱易在柱脚首先发生混凝土 的冲剪 破坏 , 冲剪破坏 主要 与爆炸产 生 的瞬间动力 效 应有关 , 取决 于压力波 的强度 , 相应 的剪力 比弯 曲破坏 模式的剪力要高, 导致 R C柱在发生显著弯曲变形前 就已经破坏。 爆炸后 1 0 , 3 0 , 5 0 I l l s( 从左至右 ) 图 3 5 0 k gT N T作用下 R C柱 的破坏过程 4结 语 采用 A U T O D Y N软件对爆炸荷载作用下钢筋混凝 土柱 的失效模式进行 了数值模拟 , 结果表明 : 随着炸药 量的增加, 柱的破坏越严重 , 破坏模式由弯曲破坏转变 为以冲切为主的破坏 , 同时, 柱子正面破坏越严重

12、, 背 面裂缝开展减少 ; 在较大的冲击波峰值超压作用下, 易 在钢筋混凝土柱两端发生冲剪破坏 , 故在抗爆设计时, 应加强柱端特别是柱脚的抗冲切能力, 防止结构中的 柱子首先发生失效 , 参考 文献 1 A U T O D Y NT h e o r y M a n u a l , R e v i s i o n 6 1 M C e n tu ry D y n a m i c s , S a n R a mo n, Ca l i f o r n i a, 2 0 0 6 2 A U T O D Y N U s e r Ma n u a l , R e v i s i o n 6 1 M C e

13、 n t u r y D y n a m i c s , S a n R a mo n, C ali f o mi a, 2 0 0 6 爆炸后 1 0, 3 0, 5 0 ,1 0 0 ms( 从左至右) 图4 1 0 0 k gT N T作用下 R C柱的破坏过程 3 J o h n s o n M R, C o o k W 14 A c o n s t i t u t i v e mo d d a n d d a t a f o r m e t a l s s u b j e c t e d t o l a r g e s t r a i n s 。 h i g h s t r a i

14、n r a t e s a n d h i s h t e m p e r a t u r e s C P r o c e e d i n g s o f t h e s e v e n t h i n t e rna t i o n a l s y mp o s i u m o n h a l l i s t i c s , Ha g u e:T h e Ne t h e r l an d s Pu b l i s h e r s, 1 9 8 3 4 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 a 1 P e n e t r

15、a t i o n o f r e i n f o r c e d c o n c r c b y B ET A B - 5 0 0 n u me r i c al an a l y s i s u s i n g a n e w ma t3 m s eop i c c o n c re t e m o d e l f o r h y d r o c o d e 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 rn a t i o n a l 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 ffect s o f Mu n i fio n s w i t h S t r u c t u r e s Be r l i n: No r we g i a n De f e n s e C o n s t r u c t i o n S e c e, 1 9 9 9: 3 1 5 3 2 2 收稿 日期 2 0 1 0 0 31 2 作者简介 许峰( 1 9 7 6一) , 男 , 江苏无锡人 , 工程师 , 硕士, 从事结构的有 限元分析工作。

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