钢筋混凝土墙在冲击荷载作用下的动力分析

2013-09-04张凤华

天津建设科技 2013年5期

□文 /张凤华

很多民用建筑、炸药仓库和核电站安全壳都是钢筋混凝土结构，无论从政治还是经济方面看，钢筋混凝土结构构件的动力问题都是值得关注的，而爆炸试验研究本身存在难以克服的弊端，如耗资巨大、数据采集困难、数据误差等，使得试验研究具有很大的局限性。在现有的研究资料中，对于梁板柱在爆炸冲击荷载作用下的性能分析较多，但是对于建筑物的主要外围墙在爆炸冲击下的分析还甚少，因此对于钢筋混凝土墙的动力响应及其抗爆性具有广泛的研究意义。本文采用数值模拟的手段，充分发挥数值模拟计算的优越性，弥补试验研究的不足，采用大型有限元软件ANSYS对钢筋混凝土墙在爆炸冲击荷载作用下的动力响应进行仿真分析，进一步对其计算结果进行分析、讨论。

钢筋混凝土墙在冲击荷载作用下的动力分析

□文 /张凤华

用单自由度等效体系的近似设计法对爆炸冲击荷载作用下的钢筋混凝土墙进行了理论计算，采用大型有限元软件ANSYS对钢筋混凝土墙在爆炸冲击荷载作用下的动力响应进行仿真分析并和理论计算结果进行对比。充分利用数值分析的优势，得到了墙体中心点位移时程曲线和应力、应变随时间的变化规律。

钢筋；混凝土墙；冲击；荷载；动力

1 理论计算

1.1 墙体设计[1]

1.1.1 尺寸设计

模拟的钢筋混凝土墙体采用1∶1的比例，墙截面厚度 b=200 mm，跨度 5 100 mm，高度 3 000 mm，跨高比1.7。考虑到墙体的抗爆性能，参考有关文献，配筋率取的较大，墙体的纵向配筋率为1.0%，水平方向配筋率为0.8%。

1.1.2 材料强度墙体中的钢筋采用HPB235(Q235)普通钢筋，强度设计值为210 N/mm2，弹性模量为2.1×105N/mm2。混凝土采用强度等级为C30，弹性模量为3.0×105N/mm2，抗压强度标准值为20.1 N/mm2，设计值为14.3 N/mm2。

1.2 位移计算

1.2 .1 材料条件

由于一般的荷载和构件，动力强度约比静力强度值大25%。本设计中选择增大值为20%。钢筋保护层厚度d=15 mm，动态钢筋强度σs=252 MPa,钢筋弹性模量×105MPa，混凝土动力抗压强度σc=17.2 MPa，混凝土弹性模量Ec=3.0×104MPa，配筋率 ρs=0.018。

1.2 .2 抗力函数

为使分析简化，通常将这些抗力函数理想化。大多数结构采用图1的有效双直线函数。

其中：

单位板宽的抗弯强度为

为计算弹性、弹塑性及塑性范围中墙壁断面的弹簧常数和抗力，经上述计算取得了所需要的全部数据。

5）墙的质量。ρ=2 500×(1-0.009-0.009)+7 800×(0.009+0.009)=2 455+140.4=2 595.4（kg/m3）

7）压力-时间历程。爆炸冲击波的超压峰值与等效的TNT装药量及爆心距目标点的距离有关，爆炸冲击波的超压作用时间都很短，一般在几毫秒左右，考虑到爆炸荷载随时间呈指数衰减关系，根据计算和爆炸的实际情况，在一般性的基础上，将荷载作用时程曲线简化为倒三角形，本文中采用的荷载见图2，爆炸荷载以均布力形式垂直作用于模型的上表面并按荷载时程曲线变化。根据文献 [3]，可得R=6.5 m时，Pr=5.10 MPa，t=1.64 ms。

根据炸药当量和距离求得正反射压力和荷载持续时间，再通过t/T，可求得延性系数μ，其中Rm为双向板的最大静抗力，N；F为施加的外力，N；为抗力同荷载之比；t/T为荷载持续时间同该体系的基本周期之比。图3为无阻尼单自由度弹塑性体系在三角形脉冲荷载作用下的最大反应。

2 钢筋混凝土墙体的有限元分析

2.1 有限元模型

本文中钢筋混凝土墙体采用SOLID164实体单元[5]，该单元是三维的实体单元，具有8个节点，每个节点具有9个自由度，但只有位移是实际意义上的物理自由度。采用Langrange网格描述钢筋混凝土墙体，有较高的精度和更好的收敛性。本文参考文献 [6～8]采用96号材料模型material-brittle-damage，这种材料是一种钢筋和混凝土的复合材料，材料中定义包含配筋率选项，可以方便地定义钢筋和混凝土的材料属性，模拟钢筋混凝土实体单元模型非常适合。具体参数见表1。

表1 混凝土脆性破坏模型参数

单元划分采用映射网格，单元尺寸采用50 mm，有限元分析单元采用三维实体8节点单元剖分，共划分了24 480个单元，31 415个节点。划分后的模型见图4。约束分为四边固支和两对边固支以及一边固支和对边简支三种情况。通过施加荷载,在LS-DYNA求解器中进行求解,对所得结果进行分析比较。

图4 四边固支墙有限元模型

2.2 四边固支墙体的模拟结果分析

2.2.1 位移分析

1）Z方向位移云图。图5为跨中位移达到最大时的Z向位移云图。由图5可以看到，位移变形是对称发展的，而且是从四周向中心点逐渐增大的，跨中及附近区域发生最大位移50.69 mm。

图5 t=6.597 4 ms的位移

2）位移时程曲线。图6为爆炸冲击荷载作用下的四边固支墙体中具有代表意义的节点22 477和节点11 976的位移时程曲线。由图6可以看出，节点11 976对应于边界上的节点，位移为0，说明计算结果很好地满足了位移边界条件；节点22 477对应于墙体跨中中心点，墙体最大位移达到约为51 mm。跨中节点位移呈现出往复振动的性质，这是由于荷载作用是瞬间完成的，在随着惯性运动直到最大位移的时候，结构还没有破坏，有一个回弹的过程。

图6 中心节点22 477和边界节点11 976的位移时程曲线

2.2.2 应力分析

图7为不同时刻四边固支墙体的等效应力云图，可以清楚地看到随着时间的增加，等效应力在墙体上的变化过程。在荷载作用的时间段内，墙体变形较小的情况下，沿着四边固支边界的周围区域应力较大。由于墙体边界条件为四边固支，所以在瞬间冲击荷载作用下，几乎是整面墙体沿四周推出；所以刚开始时，较大应力发生在四周边界，随着变形的增大，推移的墙体的范围减小，较大应力区域逐渐向中心移动，直到最大变形后，应力较大区域贯通中心。随着位移的反方向回弹，应力区域也有所恢复，形成新的等效应力云图。

2.2.3 应变分析

图8为不同时刻四边固支钢筋混凝土墙所发生的等效应变云图，虽然该模型的云图不能模拟裂缝的开展和位置，但可以从宏观上来预测墙体的破坏区域和破坏程度。由图8可以看到，塑性区域首先发生在四边的固支边界部分，随着时间的增加，塑性区域逐渐扩大，上下两边的塑性区域逐渐向中心部分延伸，最后中心部分的墙体也产生塑性区，由局部破坏效应与整体破坏共同形成。局部效应在先，整体破坏形成在后。