钢筋混凝土拱抗爆性能的数值模拟研究

2018-12-05吴克刚胡玉峰宋殿义吴志昇

采矿技术 2018年6期

吴克刚,胡玉峰,宋殿义,吴志昇

(1.国防科技大学军事基础教育学院；2.国防科技大学空天科学学院；3.中南大学资源与安全工程学院，湖南长沙 410072)

随着近些年来恐怖袭击事件和信息化条件下局部战争的发生，重要军事设施及民用建筑结构遭遇严重挑战。拱作为一种广泛应用于桥梁、建筑、隧道等工程中的重要受力构件，其抗爆性能的提高是防护工程界关注的重点。国内外的专家学者对于爆炸荷载作用下地下结构的抗爆做了大量的研究[1-10]，并取得了一定的成果，但对于结构的裂纹分布及产生研究较少。数值模拟方法不仅可以得到裂纹分布情况，还可观察裂纹产生的动态过程，因此，本文尝试应用LS-DYNA软件，对拱在爆炸作用下的动态响应进行数值模拟，以期得到拱结构爆炸过程中的失效机理，为结构的抗爆加固研究提供参考。

1 混凝土拱

拱是指在自身平面内的竖向载荷作用下产生水平推力的曲杆。拱在荷载作用下会产生水平力，将荷载转化为压力并减小了拱内的弯矩和剪力，可有效提高结构强度；并能发挥混凝土、砖石等材料优越的抗压性能，节约材料并降低造价。因此，拱在桥梁，房屋，隧洞衬砌中得到广泛应用（见图1）。

图1 广泛应用的“拱”

2 问题描述

本文中的模型参照实际工程中钢筋混凝土拱缩比而来，施工设计如图2所示，简化模型如图3所示，本文拟运用LS-DYNA软件模拟钢筋混凝土拱在爆炸荷载作用下的动态响应。

假设炸药在混凝土拱的拱顶中心位置引爆，拱的外形尺寸为926 mm×500 mm×1130 mm，用球形TNT炸药，炸药半径为0.05 m，空气在混凝土拱结构内外均存在。混凝土拱在冲击波作用下的动态响应是流固耦合问题，因而本文采用流固耦合算法进行计算。

图2 施工设计 (单位：mm)

图3 简化模型

3 有限元建模

采用有限元方法进行爆炸问题的分析时，其结果准确与否与诸多因素有关，如材料模型的选取、材料的本构关系、材料的失效准则等。而材料的本构关系是影响结果准确性的关键因素。

3.1 钢筋混凝土结构分析

本文中的拱由钢筋混凝土材料组成，材料选用合适的本构模型和失效准则并定义合理的损伤变量可以有效提高仿真模拟结果的可靠性。本文中混凝土选用SOLID164单元，钢筋选用BEAM 11单元，分别建立模型，而后进行耦合设置。混凝土材料采用MAT_CONCRETE_DAMAGE_REL3材料模型，钢筋采用 MAT_PLASTIC_KINEMATIC 随动硬化模型，具体参数如下，材料模型及参数选取参照文献[11]。在LS-DYNA中设置单元失效删除进行模拟。

3.2 炸药模型

炸药采用MAT-HIGH-EXPLOSIVE-BURN模型并用JWL状态方程描述高爆炸药的爆轰产物。用JWL状态方程计算压力如式（1）：

式中，p为爆炸压力；V为相对体积；E0为初始内能密度；A、B、R1、R2、ω为状态方程参数。参数设置见表1。

3.3 空气模型

空气采用 MAT-NULL材料模型并用 EOSLINEAR-POLYNOM IAL状态方程描述爆炸过程中空气的计算压力，状态方程为：

式中， μ =ρ/ρ0-1，ρ为空气密度。参数设置见表2。

表1 炸药材料参数及状态方程参数

表2 空气材料参数及状态方程参数

3.4 材料失效模型

材料失效通过K文件中MAT-ADD-EROSION控制，高速冲击作用下材料存在应变率效应，采用强度准则确定材料失效不符合实际情况，可能导致结果存在较大偏差。本文采用应变失效准则。

3.5 有限元分析模型

建立有限元模型如图4所示，其中，钢筋和混凝土均建立实体模型，炸药的 TNT当量约为 1.20 kg，单点起爆并与结构接触爆炸，炸药、空气与结构间进行耦合设置。对拱底面完全约束自由度。

图4 有限元模型

4 结果分析

4.1 数值模拟结果

设置求解时间为 0.003 s，运行时间步长为10-6s，每帧输出间隔为 10-6s。求解后，爆炸波与钢筋混凝土拱相互作用的压力云图如图5所示。

4.2 破坏失效位置及分析

爆炸初始，首先产生压缩波，在爆轰产物高速冲击产生的巨大压力的作用下，拱顶混凝土受压破坏形成漏斗坑；随着应力波的传播，当应力波传播到硐室表面，应力波会在表面发生反射，形成拉伸波，应力波在反射过程中来回叠加，由于混凝土材料的抗拉强度远低于其抗压强度，应力波的拉伸作用导致结构受拉破坏，使拱顶内表面产生体积更大的漏斗坑。