爆炸荷载作用下钢筋混凝土梁的破坏模式研究

向 强 (西南科技大学土木工程与建筑学院，四川 绵阳 621010)

刘 彤 (西南科技大学土木工程与建筑学院，四川 绵阳 621010 中国工程物理研究院研究生部，四川 绵阳 621900)

王汝恒 (西南科技大学土木工程与建筑学院，四川 绵阳 621010)

爆炸荷载作用下钢筋混凝土梁的破坏模式研究

向 强 (西南科技大学土木工程与建筑学院，四川 绵阳 621010)

刘 彤 (西南科技大学土木工程与建筑学院，四川 绵阳 621010 中国工程物理研究院研究生部，四川 绵阳 621900)

王汝恒 (西南科技大学土木工程与建筑学院，四川 绵阳 621010)

在爆炸冲击荷载作用下，引起建筑结构坍塌的主要原因是钢筋混凝土梁、柱构件的破坏。运用非线性有限元显示动力分析软件LS-DYNA对钢筋混凝土梁建立了三维有限元模型，并对爆炸冲击荷载下的钢筋混凝土梁的动力响应进行了数值模拟分析，得到了钢筋混凝土梁的破坏模式。研究结果表明，爆炸荷载作用下钢筋混凝土梁的破坏模式与冲击波超压和荷载作用时间有关，在较小冲击波荷载超压与较长爆炸作用时间的作用下，将发生钢筋混凝土梁整体变形破坏；在较大冲击波荷载超压与较短爆炸作用时间的作用下，钢筋混凝土梁主要发生梁端整体冲切破坏。总之，随着冲击波荷载超压的增加与作用时间的减少，钢筋混凝土梁的破坏模式逐渐由整体变形破坏转变为梁端整体冲切破坏。

钢筋混凝土梁；爆炸荷载；应变率效应；破坏模式

进入21世纪以来，发生在世界范围内的爆炸恐怖袭击不断增加，爆炸恐怖袭击已经给世界人民的生命和财产安全造成了巨大的威胁，对钢筋混凝土构件(如梁、板、柱等)的抗爆性能研究也越来越受到工程设计人员的重视。近年来国内外对爆炸荷载下钢筋混凝土构件进行了一些研究[1-6]，但对钢筋混凝土梁在爆炸荷载下的抗爆性能研究较少。笔者运用非线性有限元显示动力分析软件LS-DYNA对爆炸荷载作用下的钢筋混凝土梁的抗爆能力进行数值模拟，得到了钢筋混凝土梁的破坏模式。

1 有限元模型的建立

1.1模型简介

图1 钢筋混凝土梁的有限元模型

运用LS-DYNA建立了典型的钢筋混凝土梁有限元模型，梁尺寸为250mm×600mm×6000mm，纵筋选用5根直径为20mm的二级钢筋，箍筋选用直径为10mm的一级钢筋，间距为100mm。混凝土采用三维固体单元SOLID164，钢筋采用梁单元BEAM161，考虑到计算精度和计算成本原因，网格基本尺寸均取为10mm，钢筋混凝土梁截面和钢筋整体布置如图1所示。

混凝土材料采用MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CONCRETE模型，钢筋材料采用MAT_PLASTIC_KINEMATIC模型，所选材料模型能够很好地模拟钢筋和混凝土材料在爆炸冲击荷载下的动力响应，所选材料参数分别如表1和表2所示。

在数值模模拟分析中，在不影响计算精度的情况下，常将爆炸冲击荷载等效简化为线性下降三角形冲击波荷载作用到模型的接触面上[7]。

表1 钢筋材料参数

1.2材料失效控制

表2 混凝土材料参数

在爆炸冲击荷载作用下，结构材料将经受毫秒级的快速变形，需要考虑材料的应变率效应。材料的应变率效应通常用材料强度的动力增大系数(DIF)来表示，DIF为某一应变率下材料的动力强度和静力强度之比。

混凝土的动力强度增大系数DIF计算公式如下[8]：

(1)

(2)

(3)

(4)

钢材强度的动力强度增大系数DIF公式如下[8]：

(5)

1.3粘结与滑移

在爆炸荷载作用下，钢筋混凝土梁的梁端混凝土将发生大面积剪切破坏，梁的整体刚度将在破坏前后发生巨大变化，混凝土单元与钢筋单元之间产生巨大剪应力，它们之间必将产生滑移，目前广泛采用的共节点假设不合适，因为该假设增大了构件的整体刚度。LS-DYNA中的一维滑动接触模型(CONTACT_1D)能够很好地模拟钢筋单元与混凝土单元之间的链接和滑移，在该模型中，钢筋单元节点被看着一些附属节点，被迫沿着混凝土单元节点滑动，模型在钢筋单元节点和所对应的混凝土单元节点之间插入虚拟的弹簧单元，弹簧单元提供粘结力，当粘结力超过某个极限值的时候，钢筋单元和所对应的混凝土单元即会分离。钢筋与混凝土单元之间的最大粘结力取为22MPa[9]。

2 数值模拟分析

图2 超压-时间曲线图

图3 不同爆炸冲击波荷载作用时间下钢筋混凝土梁的破坏形态

运用钢筋混凝土梁模型进行数值模拟分析，得到不同作用时间下钢筋混凝土梁的破坏压力峰值(见图2)。由图2可知，当爆炸荷载作用时间小于10ms时，随着爆炸荷载作用时间的增加，钢筋混凝土梁的破坏压力峰值下降明显；当爆炸荷载作用时间大于10ms时，随着爆炸荷载作用时间的增加，破坏压力峰值下降非常缓慢，直至趋于定值。当钢筋混凝土梁受到爆炸荷载作用时，若爆炸荷载取值范围在曲线上方时，将发生破坏，反之，将不会破坏。

研究表明，在不同爆炸荷载作用时间下，钢筋混凝土梁的破坏形态有所不同(见图3)。当爆炸荷载作用时间较短(如5ms)、冲击波荷载超压较大时，钢筋混凝土梁支座两端附近的混凝土破坏严重，而跨中裂缝相对较少，钢筋混凝土梁直接发生梁端整体冲切破坏(见图3(a))；当爆炸荷载作用时间较长(如25ms)、冲击波荷载超压较小时，钢筋混凝土梁由于吸收冲击波能量而发生整体变形破坏(见图3(b))。

3 结 语

钢筋混凝土梁在不同的爆炸荷载作用下将会产生不同的破坏类型，其破坏模式与冲击波荷载超压和荷载作用时间有直接关系。在较小冲击波荷载超压与较长爆炸作用时间的作用下，将发生钢筋混凝土梁整体变形破坏；在较大冲击波荷载超压与较短爆炸作用时间的作用下，钢筋混凝土梁主要发生梁端整体冲切破坏。总之，随着冲击波荷载超压的增加与作用时间的减少，钢筋混凝土梁的破坏模式逐渐由整体变形破坏转变为梁端整体冲切破坏。

[1]孙建运.爆炸冲击荷载作用下钢骨混凝土柱性能研究[D].上海:同济大学,2006.

[3]方秦,柳锦春,张亚栋，等.爆炸荷载作用下钢筋混凝土梁破坏形态有限元分析[J].工程力学,2001,18(2):1-8.

[4]方秦,吴平安.爆炸荷载作用下影响RC梁破坏形态的主要因素分析[J].计算力学学报,2003,20(1):39-42.

[5]柳锦春,方秦,龚自明，等.爆炸荷载作用下钢筋混凝土梁的动力响应及破坏形态分析[J].爆炸与冲击,2003,23(1):25-30.

[6]冯洪波. 爆炸荷载作用下钢管混凝土柱的动力响应研究[D]. 西安:长安大学,2008.

[7] 李国豪. 工程结构抗爆动力学[M].上海：上海科学技术出版社，1989.

[8] Malvar L J, Ross C A. Review of strain rate effects for concrete in tension [J]. ACI Materials Journal, 1999, 96(5): 614-616.

[9] Weatherbly J H. Investigation of Bond Slip Between Concrete and Steel Reinforcement under Dynamic Loading conditions[D]. Mississippi: The Department of Civil Engineering Mississippi State University, 2003.

[编辑] 李启栋

10.3969/j.issn.1673-1409.2011.07.032

TU375.1

A

1673-1409(2011)07-0089-03

2011-05-25

向强，男，硕士生，现主要从事建筑结构抗爆方面的研究工作。