爆炸荷载作用下压型钢板组合楼板的破坏模式

张秀华　高珊

（东北林业大学土木工程学院，黑龙江哈尔滨　150040）



爆炸荷载作用下压型钢板组合楼板的破坏模式

张秀华高珊

（东北林业大学土木工程学院，黑龙江哈尔滨150040）

摘要：利用有限元软件ANSYS/LS-DYNA，采用流固耦合的计算方法，对压型钢板组合楼板在爆炸荷载作用下进行了不同工况的数值模拟，得出压型钢板组合楼板的不同破坏模式，数值结果分析表明：在不同的工况下，压型钢板组合楼板可能发生弯曲、剪切、弯剪联合三种破坏，破坏模式与比例距离有关，随着比例距离的增大，组合板的破坏减轻。

关键词：压型钢板组合楼板，爆炸荷载，数值分析，破坏模式

0　引言

如今，随着生活水平提高和科学技术的进步，很多的爆炸事件不断在身边发生，譬如恐怖袭击爆炸，煤气爆炸，化学品爆炸等，众所周知的天津塘沽大爆炸事件就是典型的化学爆炸事件，全世界范围内都对爆炸事件产生警惕和重视。现如今国内外许多学者对在爆炸荷载情况下的构件的响应破坏有一些研究［1-6］，例如混凝土梁、钢梁柱、混凝土板、大跨结构等方向，还没有对压型钢板组合楼板这种构件的研究，因此文章采用LS-DYNA软件数值模拟爆炸荷载作用下的压型钢板组合楼板，得出其不同的破坏模式。

1　有限元数值模型建立

1.1计算模型

压型钢板组合楼板板跨度为B，板长度为l，楼板下部采用固定支撑，布置一层钢筋网，TNT炸药距楼板面正上方的距离为R，炸药的等效TNT当量为W，比例距离，计算模型如图1所示。

1.2材料模型

本文钢筋钢板材料模型采用塑性随动强化模型，混凝土模型采用H-J-C模型［7］，空气采用MAT_NULL材料模型，并且需要联合线性多项式状态方程来模拟，炸药采用* MAT_HIGH_EXPLOSI VE_BURN材料模型，用JWL状态方程来模拟。

1.3有限元模型

本文选用LS-DYNA软件，应用ALE（多物质流固耦合）方法进行爆炸的数值模拟，空气、炸药、混凝土单元均采用Solid164实体单元，钢板单元采用Shell163壳单元，钢筋采用Beam161梁单元。爆炸和构件分开建模，边界采用反射边界条件，本文选用一种Erosion算法，通过控制混凝土和钢材的应变来判定材料的失效，炸药和组合板的有限元网格划分见图2。

图1　计算模型及楼板尺寸

2　爆炸荷载作用下压型钢板组合楼板的破坏模式

2.1工况介绍

数值分析计算时，炸药的等效TNT当量为30 kg，板长l = 3 m，宽度为0. 6 m，板厚3 mm，两端简支。选取6组工况：TNT炸药距楼板正上方的距离分别为R =0. 5 m，1 m，2 m，3 m，4 m，5 m，即比例距离分别为Z = 0. 14 m/kg1/3，Z = 0. 28 m/kg1/3，Z = 0. 56 m/kg1/3，Z =0. 84 m/kg1/3，Z =1. 32 m/kg1/3，Z =1. 4 m/kg1/3，钢筋为HPB300，压型钢板为Q345。钢筋采用10@ 250，混凝土采用C50。

2.2破坏模式

一般在静态荷载作用下，即荷载作用时间较长，构件容易发生弯曲破坏；在冲量荷载下，即荷载持续时间较短的荷载，构件容易发生剪切破坏；在动力荷载下，构件容易发生弯曲剪切耦合破坏。

判断依据为：当受拉钢筋被拉断及压区混凝土被压碎时，就表示该单元发生了弯曲破坏；支座附近或其他单元的平均剪应力达到极限剪应力时，就代表该单元发生了剪切破坏。经过几组工况的数值模拟，得出压型钢板在爆炸荷载作用下共有三种破坏模式，如图3～图5所示。

图3　剪切破坏模式图

图4　弯曲剪切破坏模式图

图5　弯曲破坏模式图

如图3所示，该工况为比例距离Z =0. 14 m/kg1/3时的破坏模式，爆炸荷载超压峰值较大，持续时间较短，支座处受到的力远大于支撑力，受到的剪应力大于极限应力，因此支座处的混凝土和钢板单元很快完全失效，跨中由于受到冲击波的压力，少量混凝土被压碎，板从支座处掉落下去，属于剪切破坏。

如图4所示，该工况为比例距离Z = 0. 28 m/kg1/3，Z = 0. 56 m/kg1/3，Z =0. 84 m/kg1/3时的破坏模式，支座附近有部分混凝土和钢板单元剪应力超过极限强度，跨中混凝土受到爆炸波的压力大部分被压碎失效，钢板跨中出现大的弯曲变形，属于弯曲剪切联合破坏。

如图5所示，该工况为比例距离Z = 1. 32 m/kg1/3，Z = 1. 4 m/kg1/3时的破坏模式，混凝土几乎没有破碎，钢筋产生弯曲变形，钢板也同样产生弯曲变形，但是没有达到其屈服应力，没有脆性破坏，属于弯曲破坏。

由以上分析可知，压型钢板组合楼板的破坏模式和比例距离有关，随着比例距离的增加，跨中峰值位移随着减小，破坏模式由剪切破坏变为弯曲破坏，因此应多关注比例距离小的工况，进而优化设计，提出更好的抗爆方法。

3　结语

1）应用LS-DYNA软件可以很好的模拟爆炸荷载作用下的压型钢板组合楼板，减小计算量且提高安全性。通过模拟得出其在不同工况下的受力变形模态，分为三种破坏模式，分别为：剪切破坏、弯曲剪切联合破坏、弯曲破坏。

2）通过数值模拟不同工况，得出了不同的破坏模式，分析发现破坏模式和比例距离有关，随着比例距离的增大，破坏模式由剪切破坏变为弯曲破坏，比例距离越大，破坏程度越小。

3）比较几种破坏模式，破坏较为严重的地方为支座处，支座处由钢板和混凝土共同工作，所以应考虑对支座处和整体进行优化，对于在爆炸作用下的组合板减小破坏以及提高安全性仍需要进一步研究。

参考文献：

［1］张秀华，张宇.爆炸荷载作用下钢柱的动力响应与影响因素分析［J］.防灾减灾工程学报，2014，34（1）：73-77.

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［6］D. Karagiozova，T. X. Yu，G. Lu. Transverse blast loading of hollow beams with square cross-sections［J］. Thin-Walled Structures，2013（62）：169-178.

［7］Krieg，R. D，Key，S. W. Implementation of a time dependent plasticity theory into structural computer programs［J］. A. Stricklin，K. J. Saczalski（Eds.），Constitutive Equations in Viscoplasticity：Computational and Engineering Aspects，AMD-20，ASME，New York（1976）.

［8］Holmquist T J，Johnson G R. A Computational Constitutive Model For Concrete Subjected to Large Strains，High Strain Rates，and High Pressures［A］. 14th International Symposium on Ballistics Quebec［C］. Canada，1993：26-29.

Failure mode of profiled steel-concrete composite slab under blast load

Zhang Xiuhua Gao Shan
（College of Civil Engineering，Northeast Forestry University，Harbin 150040，China）

Abstract：Using finite element software ANSYS/LS-DYNA，using the calculation method of fluid-structure interaction，of profiled steel-concrete composite slab under explosion load on the numerical simulation of different working conditions，it is concluded that different failure modes of the pressed steel composite floor slab，the numerical results show that under different conditions，the composite floor slab steel sheet may be three kinds of damage：bending，shear，bending shear joint destruction，failure mode and proportion of distance，with the increase of proportion of distance，the destruction of the composite slab.

Key words：profiled steel-concrete composite slab，blast load，numerical analysis，failure mode

中图分类号：TU312. 3

文献标识码：A

文章编号：1009-6825（2016）09-0041-02

收稿日期：2016-01-15

作者简介：张秀华（1970-），女，副教授；高珊（1990-），女，在读硕士