超高性能钢筋混凝土与普通钢筋混凝土柱结构抗爆性能的比较研究.pdf

2 0 1 4年 第 7期 7月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 C HI NA C ONC RE T E AND C E MENT P RO DUCT S 201 4 No 7 J u l y 超高性能钢筋混凝土与普通钢筋混凝土柱 结构抗爆性能的比较研究 张 海 ， 徐慎春 ， 田 慧 ( 1 天津城建大学土木工程学院 ， 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 ， 3 0 0 1 3 4 ) 摘要 ： 运 用显 式有限元动 力分析 软件 L S DYNA， 建立 了典型钢筋混凝土柱的三 维有 限元模型 。该模型 采用 了 钢筋混凝土的分 离式建模 不考虑 两者之 间的粘结滑移而考虑混凝土材料的应 变率效应 。 在有 限元模型 的基础上 ， 通 过对比超高性能钢筋混凝土柱与普通钢 筋混凝土柱结 构在爆 炸荷载作 用下的动 力响应 ， 研 究 了超 高性 能混凝 土柱结 构的抗爆性能。研究结果表明 ， 与普通钢 筋混凝土柱结构相比较 ， 超 高性 能钢 筋混凝 土柱结构的抗爆性能有十分显著 的提 高。 关键词 ： 超 高性 能钢 筋混凝 土柱 ； 爆炸荷载 ； 动力响应 ； 抗爆性 能 Ab s t r a c t ： A 3一 D fi n i t e e l e me n t mo d e l f o r t y p i c a l r e i n f o r c e d c o n c r e t e c o l u mn s i s e s t a b l i s h e d b y u s i n g e x p l i c i t fi n i t e e l e me n t d y n a mi c a n a l y s i s s o f t wa r e L S DYNAT h e mo d e l u s e s a s e p a r a t e mo d e l i n g o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e wh i c h o n l y c o n s i d e r s t h e c o n c r e t e t h e s t r a i n r a t e e f f e c t B a s e d o n t h e fi n i t e e l e me n t mo d e l ，t h e d i f f e r e n c e o f t h e d y n a mi c r e s p o n s e s b e t we e n UHP C s t e e l c o l u mn a n d o r d i n a r y r e i n f o r c e d c o n c r e t e e o l u mR i s c o mp a r e d u n d e r t h e a c t i o n o f t h e b l a s t l o a d i n g Th e r e s u l t s s h o w t h a t t h e a n t i k n o c k p e r f o r ma n c e o f UHP C s t e e l c o l u mn s t r u c t u r e s h a s a v e ry s i g n i fi c a n t i n c r e a s e c o mp a r i n g wi t h t h a t o f t h e o r d i n a r y r e i nfo r c e d c o n c r e t e c o l u mn s t ruc t u r e Ke y wo r d s ： UHP C s t e e l c o l u mn ； B l a s t l o a d ； D y n a mi c r e s p o n s e ； An t i k n o c k p e rfo rm a n c e 中圈分类号 ： T U 5 2 5 文献标识码 ： A 文章编 号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 4 ) 0 7 4 4 0 3 0前 言 近年来 ， 人 为或意外爆 炸事故频 繁发生 ， 给人 们的生命财产安全带来了严重威胁 。同时 ， 由于世 界 范 围 内 的重 要 建 筑 越 来 越 多 。 因此 ， 如 何 最 大 程 度地降低爆炸荷载对建筑结构的破坏 减少其对人 们生命财 产安全 的威 胁 ，成为一个 亟需解决 的课 题 。 改善建筑材料性能是提高建筑结构抗爆性能 ， 降低爆炸对人们生命财产安全造成危害 的有效手 段 。超高性能混凝土( 以下简称 U HP C ) 是过去三十 年极具有创新性的水泥基工程材料 。 具体表现为超 高强度 、优异 的韧性和 良好 的耐久性能。因此 ， 将 U HP C应用于建筑 结构抗爆 防爆设计 是有益 的尝 试 。国内外许多学者进行了探索性的研究 ， 如焦楚 杰f 1 等通过钢 纤维掺量 1 3 的 U H P C板 的爆炸 试验研究 了其抗爆性能 ， 研究表明 ， 爆 炸应力 波在 混凝土 中呈现 明显的衰减特性 其在抗震塌方面的 优势十分 明显。卢康道【 2 】 通过爆 炸试验确定 了钢纤 基 金 项 目 ： 天 津 市 应 用 基 础 与 前 沿 技 术 研 究 计 划 ( 1 2 J C Q N J C 0 5 3 0 o ) 。 一 44一 维混凝土在爆炸荷载作用下钢纤维的最优掺量 ， 为 钢纤维混凝土的工程应用提供了理论支撑 。文献【 3 】 运用数值分析的方法研究 了钢纤维混凝土板与普通 混凝土板在爆炸荷载作用下的动力响应及破坏模式 的不同之处 。 研究表明 ， 钢纤维混凝土板的损伤程度 远小于普通混凝土板的损伤程度 。 本文运用显式动力有 限元分析软件 L S D Y N A 对一典型超高性能钢筋混凝土柱和普通钢筋混凝土 柱在同一爆炸荷载作用下的动力响应进行了数值模 拟 。 通过对 比分析 研究 了超高性能钢筋混凝土柱 的 抗爆性能 ， 阐明了超高性能钢筋混凝土柱在抗爆设 计方面的巨大优势 。 1 有 限元 模型 的建 立 运用有限元分析软件 L S D Y N A。 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 1 所 示 。 图 1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 、 s 2 为箍筋间距。 由于有限元分析对网格具有依赖性 ， 因此 进行 了大量 网格 收敛性分析 。最终 发现 ，混凝土采 用 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 张 海 ， 徐慎春 ， 田 慧 超高性能钢筋混凝土与普通钢筋混凝土柱结构抗爆性能的比较研究 钢筋 UHP C 柱脚 爆炸波方 向 n B 0 ( a ) U HP C柱外形 ( b ) U H P C钢筋柱分离式模 型 ( c ) 柱截面尺寸 图 1 钢筋 混凝 土柱 有限元模 型 1 0 m m的单积分点正六面体单元 ，纵筋和箍筋均采 用长度为 1 0 mm的梁单元进行模拟最合适 。进一步 细化 网格只能有限的提高计算精度 ， 但是计算成本 却成倍增加 。因此 ， 本章 中无论是混凝土还是钢筋 均采用 1 0 ra m的网格尺寸。 为准确模拟柱在实际建筑结构 中所受 的约束 ， 即柱在有限元分析 中的边界条件 ， 在有 限元模型中 建立 了柱头和柱脚 ， 如图 1 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 。此外 ， 为 了更加真实的模拟实际建筑 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 S D Y N A中的动力释放算法 来对柱进行应力 初始化 然后再通过施加爆炸荷载来分析柱在受到 爆炸荷载作用下的动力响应 。 虽然实际上爆炸荷载沿柱面并非均匀分布 也 不是真正 的三角形荷载 。 然而 ， 考虑到本 文所研究 的爆 炸冲击波对 U H P C钢筋柱 的作用特点 与 自由 空气爆炸的特点十分类似。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【6 。 1 1 材料模型及参数 如图 1 b所示 。本文钢筋混凝土柱采用分离式 模型。混凝土采用 L S D YN A中 K & C材料模型 ， 其 中 超高性能混凝土轴心抗压强度为 1 6 0 MP a ， 密度 为 2 4 5 0 k g m ， 泊松 比为 0 1 9 。普通混凝土轴心抗压 强度为 4 5 4 MP a ， 密度为 2 4 5 0 k g m 。 ， 泊松 比为 0 1 9 。 钢筋材料采用双线性 随动强化模 型 ，屈服强度 为 4 0 0 MP a ， 密 度 为 7 8 3 0 k g m 。 1 2 混凝土材料应变率效应 在高应变率下 ， 混凝土的拉 、 压强度会有较 大 提高 。混凝 土 的应变率效 应通 常采 用 D I F ( 动力增大系数) 来表示 6本文混凝 土强度的 D I F采用 K &C模型 它是在 C E D t7 1 模型的基础上经过改进得来的。 在 K & C模型中， 混凝土的抗拉与抗压动力 增大系数采用不同的计算公式。混凝土 抗 拉强 度 动 力 增 大系 数 由式 ( 1 ) 、 式 ( 2 ) 确定 ： T D I F = = ( l 8OOd 1 s ( 1 ) ” 肥争 I )- ( 2 ) 式 中 ， 一 应变率 为 时混凝土动态 抗拉强度 ： 一 应变率 ( = 1 0 ) 时混凝土的静力抗 拉强度 ： l o g 3 = 6 6 - 2 ，其 中， 6 = 1 ( 1 + 8 Z 。 ) 为混凝土 静力单轴抗压强度。 混凝土抗压动力增大系数 由式 ( 3 ) 、 式( 4 ) 确定 ： ，F _争 c 1 s ( 3 ) 乒= 【 S d 3 0 s ( 4 ) 式 中 一 应变率为 时混凝土的动态压强度 ； 一 应变率为 ( = 1 0 - 6 s ) 时混凝土的静抗 压强度 ： l o g , = 6 1 5 6 a - 0 4 9 ， 其 中 0 = ( 5 + 4 ) 一 ， 为混 凝土的立方体静力抗压强度。 2超 高性 能 钢 筋 混凝 土 与 普通 钢 筋 混 凝 土柱 结 构 在爆炸荷载作用下的动力响应比较 选取某典型钢筋混凝土柱 柱截面高和宽均为 2 0 0 m m，柱 高为 2 5 0 0 m m， U H P C轴心 抗 压强 度 为 1 8 0 MP a 。 普通混凝土轴心抗压强度为 4 5 4 MP a ， 纵筋 配筋率为 0 5 ， 箍筋间距 为 2 0 0 mm， 柱端加密 区为 1 0 0 mm。对 两种 柱施 加 = 1 3 9 7 MP a ， L= 2 3 1 8 MP a m s ( P r 为反射超压 ， ， ， 为反射冲量 ) 的爆炸荷载。 图 2 、图 3展示了两者在相 同时间的等效塑形 应变。由图可以看出 ：两者的塑性应变发展过程相 同， 塑性应变首先产生于柱端和柱 中， 进而向其余部 分发展。然而 ， 在相同时刻 ， 两者的损伤程度显然不 一 样 ，超高性能钢筋混凝土柱塑性应变无论程度上 还是范围上都 比普通钢筋混凝土柱 的塑性应变要小 一 45 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