爆炸荷载作用下型钢混凝土柱动力响应分析

谢志英，谭继可 （长江大学城市建设学院，湖北 荆州434023）

随着经济的发展，高层、超高层建筑越来越普遍，而型钢混凝土构件具有承载力大、抗震性能好等特点［1］，越来越多的钢－混凝土组合结构被应用在高层建筑中去。近些年，建筑物由于爆炸作用而发生倒塌现象时常发生，汽车撞击爆炸、化学品爆炸等都属于爆炸范畴。由于作用时间短，对结构物产生了巨大的冲击力，对建筑物造成了严重的破坏甚至连续性倒塌，对人类的生命安全构成的严重的威胁，因此，如何提高建筑物的抗爆性能的研究一直是工程界热门课题之一［2－8］。研究爆炸荷载作用下结构的动力响应，可以分析其破坏形态和相关影响因素，对结构的抗爆性能研究具有重要参考价值。为此，笔者基于大型有限元软件ABAQUS对爆炸荷载作用下型钢混凝土柱动力响应进行了分析。

1 模型尺寸及相关参数

为研究爆炸荷载作用下型钢混凝土柱的动力响应，设计如图1所示模型。采用如图2所示的作为时间函数的压力荷载［9］（实际作用的爆炸载荷幅值为两者的乘积）。混凝土强度等级为C30，钢材均采用一级钢，钢筋保护层厚度为20mm，型钢保护层厚度为50mm。

图1 模型详图及配筋信息图

图2 作为时间函数的压力荷载图

2 有限元模型

根据有限元模型，混凝土采用8节点缩减积分三维实体单元C3D8R，钢筋和箍筋均采用三维2节点Truss单元T3D2；型钢采用4节点缩减积分三维壳体单元S4R；混凝土采用损伤塑性本构模型，混凝土拉、压强度、损伤和变形之间的关系如图3、图4所示［10］，弹性模量E＝3.1×1010Pa，泊松比0.2。钢材采用弹塑性硬化本构模型：应力为3.0×108Pa，塑性应变为0；应力为3.75×108Pa时，塑性应变为0.1，钢材弹性模量E＝2.1×1011Pa，泊松比0.3。

图3 混凝土抗拉强度、损伤与变形之间的关系图

图4 混凝土抗压强度、损伤与变形之间的关系图

在定性分析爆炸荷载作用下型钢混凝土柱的动力响应时，为减少计算量而又不影响结果，对实际模型进行简化处理，数值分析中不考虑钢筋和型钢与混凝土之间的连结滑移，采用 “embed”技术［11］将钢筋和型钢嵌入混凝土中，这2种材料之间不发生相对滑动。型钢、钢筋和混凝土有限元模型如图5所示。

3 型钢混凝土柱动力响应分析

3.1 不同压力荷载下柱动力响应

不同压力荷载值作用时型钢混凝土柱端位移响应曲线图如图6所示。从图6可以看出，随着基本压力荷载的增大，型钢混凝土柱端位移幅值也随着增大，达到位移最大值所用的时间也在增加，但其振动形态并没有改变，只是对其振动位移幅值有影响。

图6 不同压力荷载下柱响应曲线图

图7 不同边界条件下的柱响应曲线图

3.2 不同边界条件下的柱动力响应

不同边界条件下的柱跨中节点位移时程曲线图如图7所示。从图7可以看出，在相同的爆炸荷载作用下，与一端固结的柱相比，两端固结的柱几乎没有发生位移，这样对柱两端进行位移约束可以较好地减少柱跨中位移幅值，可以有效避免因爆炸荷载作用引起柱大变形而发生的破坏作用，从而可以提高结构柱的防爆性能。

3.3 不同箍筋间距下的柱动力响应

图8 不同箍筋间距下的柱响应曲线图

图9 不同型钢截面下的柱响应曲线图

不同箍筋间距下的柱响应曲线图如图8所示。从图8可以看出，提高混凝土结构的配箍率可以适当降低柱端位移幅值，减少柱的破坏程度。这是由于混凝土是抗拉性能较差的材料，易发生脆性破坏，箍筋可以较好的对混凝土施加环向压力，可以较好的协同型钢与混凝土的相互作用，适当提高了柱子的刚度，在爆炸荷载作用下的位移幅值有所降低。因此，适当提高型钢混凝土构件的配箍率，可以降低爆炸荷载对柱的破坏程度，提高其抗爆性能。

3.4 不同型钢截面下的柱动力响应

为研究不同型钢截面对柱动力响应的影响，保证其他条件不变，分析了3种型钢截面尺寸：翼缘厚度h＝0.008m、0.010m、0.012m，对应的腹板厚度为：t＝0.006m、0.008m、0.010m。不同型钢截面下的柱响应曲线图如图9所示。箍筋间距分别为100mm和200mm。从图9可以看出，随着型钢截面面积的增加，型钢混凝土柱的刚度增加，可以较好的减少爆炸荷载作用下柱的位移幅值。同时，随着型钢面积的增加，柱的延性也适当的提高，也增加了柱的耗能能力，这有利于提高其抗爆能力。

4 结论

（1）不同爆炸荷载幅值下柱的响应性能基本相同，仅仅对位移幅值有大的影响。

（2）适当提高型钢混凝土柱的配箍率和型钢截面可以降低柱的位移幅值，同时提高配箍率和型钢截面可以提高柱的延性，增加其耗能富余，从而改善其防爆性能。

（3）由于型钢混凝土结构柱延性较钢筋混凝土柱要好，在发生较大位移后并没有完全丧失其承载能力，在研究时不能仅仅通过型钢混凝土柱的位移响应时程曲线来判断型钢混凝土结构的损伤程度，而要综合考虑其剩余承载力等因素后才能进行判定。

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