SRP材料加固钢筋混凝土的抗爆性能研究*

王向阳 林友杨 冉瑞江

(武汉理工大学交通学院 武汉 430063)

SRP材料加固钢筋混凝土的抗爆性能研究*

王向阳 林友杨 冉瑞江

(武汉理工大学交通学院 武汉 430063)

针对钢筋混凝土等基础结构容易遭到破坏的问题，选择高强度SRP材料加固钢筋混凝土作为研究对象，借助有限元分析软件AOTUDYN开展研究工作.通过显示动力分析软件AOTUDYN对选取的试件建立模型.利用SRP材料分三种加固方式对钢筋混凝土进行加固，并通过计算分析爆炸情况下各个测点的速度时程曲线及位移时程曲线，对比未加固RC和加固RC的爆炸响应.利用位移峰值、残余位移值等指标，全面研究SRP材料加固层数与抗爆性能间的关系.结果表明，SRP材料能够进一步改善钢筋混凝土抗爆性能.

SRP；钢筋混凝土；爆炸；有限元

结构中的柱、板等核心构件出现问题时，结构随即受到影响，发生坍塌事件.在全球恐怖袭击、军事战争等逐渐频繁的今天，有关军事工程与民用设施的抗爆设计成为人们关注的重点.目前国内外许多学者针对一种高强复合SRP(steel reinforced polymer)的材料性能进行了研究，Barton等[1]选择4根钢筋混凝土梁依靠SRP进行处理，完成了4点弯曲分析.Kim等[2]选择6根试验梁作为分析对象，依靠3点弯曲试验对SRP加固性能、加固梁无效模式及开裂方式进行了分析.但是有关SRP新型复合材料在混凝土构件抗爆中的应用探索并不多见，所以文中选择有限元分析法全面模拟爆炸荷载影响时钢筋混凝土柱的响应，能够尽量减小投资，有关SRP加固后的抗爆性能与相关要素的探索将更加方便、合理，不仅可以提高社会与经济两方面的价值，也能让钢筋混凝土结构抗爆设计更加科学、完善.

1 爆炸冲击波

爆炸性材料发生爆炸时，将出现非常显著的氧化反应，从而产生能量冲击，导致附近的空气压力、温度急剧增加.气体膨胀类似于活塞运动，使附近的空气受到挤压，借此对外界传递压缩波.因为后续压缩波速度更加明显，所以会发生重叠，产生压力急剧上升的特定压缩波，也就是冲击波.冲击波的最前边被称作波阵面，或者是波前.紧跟在波阵面后的是与动压相关的“爆炸风”[3-4].

现阶段，许多研究人士针对TNT炸药基本特性与爆炸冲击波发展趋势进行研究时，一般选择冲击波压力、冲量等参数来完成.且将比例距离定义成基本参数.比例距离的定义为

(1)

式中：R为炸药爆点与测点的间距；W为C-4同等效药量.

2 SRP材料

加固一般采用玻璃、芳纶等纤维，同时包含树脂、金属等基体.对于土木工程而言，通常选择树脂基体中的玻璃、碳素及芳纶三种纤维作为SRP材料[5].

目前，SRP被作为一种FRP的代替品，用来维修和加固结构.经过研究不难发现，SRP与FRP相比，在抗弯加固性能一致的情况下，前者需要的费用更少.不仅如此，SRP在韧性与侧向抗力两方面更加优越，当面对弯曲90°强度时，依然十分稳定，且抗火性能十分卓越，属于一种比较理想的代替品.正是因为如此，我们可以将SRP作为抗爆加固的主要材料[6-7].

市面中存在的一类SRP产品，人们将其命名成Hardwire®，不但能够制作为热塑性塑料，而且能够实现全新的胶凝树脂体系，包含纤维与钢筋加固两方面的优势[8].主要是通过超高强钢丝制备而来，其强度超过一般钢板11倍.与玻璃纤维生产的复合材料相比，通过Hardwire®生产的复合材料厚度仅为前者的70%，质量仅为前者的75%.Hardwire®经过塑造可得到目前已知的大部分树脂，接着和各种商业纤维复合[9].经美国海军试用检验发现，Hardwire®材料韧性极佳，不但如此，Hardwire®还能够与聚氨酯、聚脲两者的复合物一起给钢结构带来防爆保护，而美国军方同样完成了SRP防护作用的实验分析，结果均十分理想.

3 数值模拟分析

3.1 有限元模型

选用相关试件完成模拟分析，RC柱长度是2 100 mm，两端各选300 mm加固，有1 500 mm没有加固，截面是150 mm×150 mm，保护层20 mm，纵向钢筋与箍筋两者的直径全部是6 mm，间距100 mm.具体尺寸见图1.

图1 试件具体尺寸图(单位：mm)

选择AOTUDYN显示动力分析软件有限元分析法进行模拟，借此指出钢筋混凝土圆柱爆炸冲击波带来的影响.数字计算过程中，基于AUTODYN材料库各项参数来完成，混凝土网格大小是30 mm，结合文献[10]选择库中的钢材，强度是985 MPa.因为爆炸冲击波过程很短，同时借助环氧树脂接合SRP、混凝土，忽略混领域和钢筋、SPR间的滑移问题，均认为是密封接合，依靠公共节点直接相连，一起变形，具体部署见图2.

图2 有限元数值模拟

3.2 计算结果

数值运算期间，为钢筋混凝土柱安排测点，全面汇总测点数值，可以获得各处结构的爆炸响应特征.图3为模拟过程，包含3个测点：测点1，2，3分别处在圆柱迎爆面中点、底端中部、上端中部.

而在SRP材料加固性能的探索中，主要选择以下加固方法进行处理：①整体包裹；②仅对中段实施包裹处理，长度500 mm；③仅包裹两端，长度分别是500 mm.炸点是柱中，间隔2 m，因为测点2,3完全对称，所有只需求出测点1，2的结果便能够达到目的，仅有限元运算，能够获取不同工况下两者的水平速度时程曲线(见图3)，位移时程曲线，见图4.

a)测点1

b)测点2图3 速度时程曲线图

a)测点1

b)测点2图4 位移时程曲线图

分析测点1可知，整体、中段、两端包裹处理后，速度峰值分别减小了40%，26.9%及18.1%；分析测点2可知，整体、中段、两端包裹处理后，速度峰值分别减小了52.3%，26.9%及5.6%，综上所述，结合速度峰值减小情况可以判定，整体加固后起到的作用最为理想，其次是中段加固，最后便是两端加固.

由图3可知，采用不同的加固方法，PC柱测点速度在原有基础上全部减小，分析测点1可知，整体、中段、两端包裹处理后，速度峰值分别减小了40%，26.9%及18.1%；分析测点2可知，整体加固后，速度峰值减小52.3%，中段加固后减小了26.9%，两端加固后减小了5.6%，综上所述，结合速度峰值减小情况可以判定，经过整体加固处理，作用最为理想，然后是中段加固，最后是两端加固.

基于速度残余值进行研究与探讨，由图4可知，40 ms末，当测点1没有得到任何处理时，其速度残余值达到15.2 m/s，整体包裹后是0.2 m/s，中段包裹后是8.4 m/s，两端包裹后是0.2 m/s.当测点2没有得到任何处理时，该数值达到13.4 m/s,整体包裹后是0.1 m/s，中段包裹后是5 m/s，两端包裹后是0.1 m/s.采用不同的加固方法，测点速度残余值在原有基础上全部减小，根据其减小的情况可以判定，整体加固后起到的作用最为理想，其次是两端加固，最后便是中段加固，而整体加固、两端加固起到的作用基本一致，所以当材料用量受到限制时，能够依靠两端加固法进行处理，结果同样比较合理.

基于水平位移进行研究与探讨，40 ms末，当测点1没有得到任何处理时，其水平位移达到678.4 mm,整体包裹后是20.4 mm，中段包裹后是370.3 mm，两端包裹后是56.2 mm.当测点2没有得到任何处理时，该数值达到379.6 mm，整体包裹后是8.8 mm，中段包裹后是177.3 mm，两端包裹后是11.5 mm.采用不同的加固方法，水平位移在原有基础上全部减小，分析测点1可知，整体包裹后，水平位移减小了3%，中段包裹后减小了54.6%，两端包裹后减小了8.3%，综上所述，根据柱体水平位移情况可以判定，整体加固后起到的作用最为理想，其次是两端加固，最后便是中段加固，且整体加固、两端加固起到的作用基本一致，所以当材料用量受到限制时，我们能够依靠两端加固法进行处理，结果同样比较合理.

3.3 SRP加固层数的抗爆响应分析

选择整体包裹这种方法进行处理，保持其他参数不变，仅改变SRP加固层数，借此完成加固层数抗爆响应的分析.选择三种工况开展这一研究工作，同时将层数设定成1，2，3层.对于测点1而言，根据工况不同，位移时程曲线也会出现差异，见图5.

图5 测点二位移时程曲线图

表1为加固层数的位移峰值与残余位移值，由表1可知，三种情况的位移峰值分别是20.36，17.76和9 mm，残余位移则是6，5和0.7 mm.

表1 加固层数的位移峰值与残余位移值

由图5可知，在层数持续上升的过程中，位移峰值持续变小，动力性能随之提升，40 ms后，当层数是一层时，出现大幅位移，而采用另外两种层数进行处理，并未出现左、右振动，在加固层数持续上升的过程中，刚度得到了一定提升，柱体受到的约束作用力显著提高.

当层数是三层时，残余位移值急剧变小，而采用另外两种层数进行处理时，产生的作用基本一致，不难理解，此RC柱应当采用三层处理，可以使其抗爆性能得到显著改善.即便如此，依然需要根据钢筋混凝土柱尺寸与配筋的实际情况，采用最佳层数进行处理，一方面满足经济性原则，另一方面为其可靠性及寿命提供保障.

4 结 论

1) 选择SRP材料加固RC，结合速度峰值减小情况可以判定，整体加固后起到的作用最为理想，其次是中段加固，最后便是两端加固；结合速度残余值减小情况可以判定，整体加固后起到的作用最为理想，其次是两端加固，最后便是中段加固，且整体加固、两端加固起到的作用基本一致；结合限制柱位移情况可以判定，整体加固后起到的作用最为理想，其次是两端加固，最后便是中段加固，且整体加固、两端加固起到的作用基本一致，所以当材料用量受到限制时，我们能够依靠两端加固法进行处理，结果同样比较合理.

2) SRP加固层数与目标对象的抗爆性能同样有着直接关联，当选择层数是三层时，经过处理后残余位移急剧变小，但一、二层加固处理后的作用基本一致，足以表明此RC柱应当采用三层加固处理，可以使抗爆性能得到显著改善.

[1]BARTON B, WOBBE E.Characterization of reinforced concrete beams strengthened by steel reinforced polymer and grout (SRP and SRG) composites[J]. Materials Science and Engineering,2005,12(12):129-136.

[2]KIM Y J, FAM A, KONG A, et al. Flexural strengthening of RC beams using steel reinforced polymer (SRP) composites[C]. Proceeding of the Eighth International Conference on Fibre Reinforced Polymer Reinforcement for Concrete Structure,2006.

[3]BERGER J O. HEFFERNAN P J, WIGHT R G. Blast testing of CFRP and SRP strengthened RC columns[C]. WIT Transactions on the Built Environment,2008,98:95-104.

[4]袁建虎，唐建，吕志坚.钢丝网高强钢筋混凝土抗爆性能试验研究[J].兵工学报,2012,33(3):373-378.

[5]谢威，蒋美蓉，周建南.空爆作用下复合材料加固圆拱动力响应数值模拟[J].武汉理工大学学报,2014,36(1):135-139.

[6]李忠献，曲树胜，师燕超，等.地铁车站台柱抗爆性能及其优化设计[J].天津大学学报(自然科学与工程技术版),2012,46(2):96-101.

[7]方磊.建筑结构抗爆设防标准及抗爆概念设计研究[D].天津：天津大学，2012.

[8]李永琛.玻璃幕墙结构抗爆炸性能研究[D]．沈阳：沈阳工业大学，2014.

[9]刘超.预应力混凝土桥梁爆炸荷载作用效应研究[D].武汉:武汉理工大学,2012.

[10]徐福泉，杜德印.高强钢丝织物加固混凝土结构新技术[J].施工技术，2011(40)：67-70.

Studying on the Anti-explosion Performance of SRP Reinforced Concrete Materials

WANG Xiangyang LIN Youyang RAN Ruijiang

(School of Transportation, Wuhan University of Techology, Wuhan 430063, China)

Aiming at the problem that the concrete structure is easy to be destroyed, the high strength SRP material as the research object is used to strengthen the reinforced concrete, and using the finite element analysis software AOTUDYN to carry out the research work in this paper. First of all, the dynamic analysis software AOTUDYN is used to establish the model. Then, the SRP materials are divided into three kinds to reinforce concrete, and the velocity curve and displacement curve of each measuring point are analyzed. In addition, comparisons are made for the explosion responses of no reinforcement RC and reinforcement of RC. Finally, the relationship of SRP reinforcement layers and the anti explosion performance through the displacement peak value and residual displacement value are studied. The results show that SRP materials can further improve the antiknock performance of reinforced concrete.

SRP; reinforced concrete;blast; finite element

2017-04-13

*国家自然科学基金项目(51178361)、湖北省自然科学基金项目(2013CFB342)资助

TU375

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.03.016

王向阳(1970—)：男，博士，教授，主要研究领域为桥梁结构方向