爆炸荷载作用下框架结构的薄弱部位分析

孙 艳,沈 杉

(武汉科技大学城市建设学院,武汉 430065)

爆炸荷载作用下框架结构的薄弱部位分析

孙 艳,沈 杉

(武汉科技大学城市建设学院,武汉 430065)

采用通用有限元软件SAP2000模拟钢筋混凝土框架在不同部位受到爆炸荷载作用的动力响应过程,并对荷载作用相应部位梁柱节点的位移进行对比分析。分析结果表明,荷载作用于角柱所在边跨引起的梁柱节点位移均大于荷载作用于中跨的梁柱节点位移。说明爆炸荷载对框架结构的影响与荷载作用部位密切相关,边跨动力响应大于中跨,而边跨中的角柱更是结构抗爆设计关键构件。

爆炸荷载; 框架结构; 动力响应; SAP2000

钢筋混凝土框架结构在役期间,除承受准静态荷载以外,还有可能承受偶然的强冲击作用,比如爆炸。然而国内设计规范[1]并没有关于结构抗爆设计的要求,这就使得现有建筑的抗爆储备极为有限甚至没有。一旦遭遇这种高强度偶然荷载,必然对人们的生命和财产安全造成巨大的威胁。因此,研究框架结构在爆炸荷载作用下的动力响应具有重要的实际意义,特别是对于结构薄弱部位的确定,更能为结构的强化设计提供理论依据。

近年来,国内外对于爆炸冲击作用下的混凝土本构关系、结构构件的动态响应已进行了许多研究[2-4],但是由于问题的复杂性,目前对于整个框架结构在爆炸荷载作用下的动力响应研究还较少。该文基于有限元分析软件SAP2000,模拟爆炸荷载作用于结构不同部位时空间钢筋混凝土框架的动力响应,着重对梁柱节点的位移变形进行对比分析,并试图从分析结果中寻找爆炸荷载作用于框架结构时,动力响应较大的薄弱部位。

1 爆炸荷载

爆炸其实就是一种能量的快速释放过程,爆炸瞬间产生的高温、高压气体急剧膨胀造成爆炸点周围介质中的压力发生急剧的突变,对周围环境造成强烈破坏。一般对于上部结构的抗爆问题,我们主要研究爆炸后所形成的空气冲击波荷载作用在结构上对整体结构和构件所造成的响应和破坏。

按《人民防空地下室设计规范》(GB 50038—2005)规定,在结构计算中,核爆炸的地面冲击超压波形,可取在最大压力处按切线或按等冲量简化的无升压时间的三角形,其函数表达式见式(1)。式中T0为爆炸压力正值作用时间。

取爆炸峰值荷载为100 k N/m,考虑到爆炸荷载的短时性,荷载作用时间选为100 ms。梁柱施加式(1)所示为按时间变化的线荷载;板施加与梁柱同样规律变化的面荷载。

2 结构有限元模型

取三层钢筋混凝土框架作为研究对象,采用SAP2000对其进行离散化[5]。网格划分后的有限元模型如图1所示,结构平面布置见图2。

1)横向柱网为2×6 m,纵向柱网为3×5.4 m,层高均为3.9 m;

2)柱截面500 mm×500 mm,主梁截面250 mm×500 mm,次梁截面200 mm×400 mm,一、二层板厚取100mm,顶层板厚取120 mm;

3)梁柱混凝土强度等级均采用C30,板混凝土强度等级采用C25;

4)梁柱纵向受力钢筋HRB400,箍筋及板受力钢筋HPB300。

5)柱纵向对称配筋4ϕ20,梁纵向配筋为2ϕ16,箍筋A8@200,板钢筋A8@150。

另外,为研究结构的非线性,反应结构屈服性能,在梁两端添加软件自定义的弯矩铰M3,在柱两端添加轴力弯矩铰PMM。

框架柱作为结构主要承重构件,其动力响应关乎结构整体安全,底层柱更是重中之重。鉴于该文模型底层柱包括4根长边中柱(A2、A3、C2、C3)、2根短边中柱(B1、B4)和4根角柱(A1、A4、C1、C4),拟将爆炸荷载分别施加于底层中跨A-B轴/2-3轴所围框架区间(图3、图4)以及角柱所在边跨A-B轴/1-2轴所围框架区间。研究分析两种工况下受到相同荷载作用的边柱与角柱、边柱与中柱的节点位移响应规律,以确定作为结构抗爆设计关键构件的框架柱。

3 节点动力响应分析

图5～图8分别为爆炸荷载作用于中跨和边跨时,受相同荷载作用的柱上端梁柱节点(节点2和节点14、节点6和节点18)的X、Y、Z向位移曲线对比图。

表1 各节点X、Y方向最大位移及Z向残余变形对比

1)分析图5的X向位移曲线,节点2与节点14位移响应呈现明显差别:爆炸荷载作用的0.1 s内节点2、节点14振动周期相近振幅不同,节点2(0.14 mm)稍大于节点14(0.12 mm);爆炸荷载作用结束后,节点14位移逐渐平稳直至0.05 mm的残余变形,而节点2则继续在其平衡位置振动,振幅逐渐衰减,直至位移趋于稳定值。这是由于角柱与长边中柱在X方向受周围构件约束不同,造成梁柱节点的刚度差异较大,使两者在强冲击荷载作用下的振动响应差别较大,角柱动力响应大于边柱。

2)分析图6的Y向位移曲线,节点2和节点14始终保持同频率的振动,振幅逐渐衰减,但节点2的振幅始终大于节点14。这是由于角柱和边柱在Y方向所受约束相同,但受其他方向约束影响,角柱振幅依然大于边柱。

3)分析图7的Z向位移曲线,节点2和节点14的位移变化基本相近,最终的Z向残余变形,节点2 (0.25 mm)几乎是节点14(0.11 mm)的两倍。

综合分析以上各图表,还可以看出,梁柱节点的Z向位移比X、Y向位移更为明显,因此可以把梁柱节点Z向位移作为反映其动力响应的主要指标。各节点最终Z向残余变形分别为:角柱节点2最大,短边中柱节点6次之,长边中柱节点14其次,内部中柱节点18最小。这反映了爆炸荷载作用于结构不同部位对结构构件最终变形状态的影响不同,作用于边跨的爆炸荷载对框架结构的塑性影响显著大于作用于中跨时的同峰值爆炸荷载。

4 结 论

框架结构在爆炸荷载作用下的动力响应与荷载作用部位密切相关,作用于边跨的动力响应明显大于作用于中跨的动力响应。框架结构各柱中,角柱在各方向上受到的周围构件约束最少,因此在强冲击荷载作用下产生的振动响应最明显,荷载作用结束后构件内残余纵向变形也最大;边柱次之;结构内部中柱由于各方向均受到与之相连的框架梁的约束作用,梁柱节点刚度较大,动力响应是所有框架柱中最小的。因此为减少框架结构在爆炸荷载作用下的动力响应及荷载作用结束后构件内的残余塑性变形,框架角柱应当作为框架结构关键构件进行强化设计,提高其抵抗偶然的强冲击荷载作用的能力,以提高结构安全储备,保障建筑结构的安全性、适用性。另外,对安全系数要求更高的结构,框架结构边柱也应当作为重点设计构件。

[1] GB 50010—2010,混凝土结构设计规范[S].

[2] 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.

[3] 杜 林,石少卿,张湘冀,等.钢管混凝土短柱内部抗爆炸性能的有限元数值模拟[J].重庆大学学报,2004,24(10):142-144.

[4] 刘廷权,王兴国,葛 楠.钢筋混凝土柱在侧向撞击作用下破坏模式研究[J].武汉理工大学学报,2010,32(9):188-193.

[5] 北京金土木软件技术有限公司,中国建筑标准设计研究院.SAP2000中文版使用指南(第二版)[M].北京:人民交通出版社,2012.

Dynamic Response Analysis for the Frame Structure under Explosion Load

SUN Yan,SHEN Shan
(School of Urban construction,Wuhan University of Science and Technology,Wuhan 430065,China)

The dynamic response process for the reinforced concrete frame suffering explosion load on different parts was simulated by the general finite element software SAP2000,followed by the analysis on the displacement of the beam-column joints under each condition.The analysis results show that the displacement of the beam-column joints when the explosion load acted on side span is more than the displacement when the explosion load acted on midspan, which makes it clear that the explosion load influence on frame structure is closely related to the side of action and side span influence is more than midspan influence.To further articulate,the corner post in side span is the critical element in explosion resistance design.

explosion load; frame structure; dynamic response;SAP2000

2014-08-06.

孙 艳(1965-),副教授.E-mail:981128303@qq.com

10.3963/j.issn.1674-6066.2014.05.030