钢管混凝土柱-钢梁组合框架在爆炸荷载作用下的破坏模式分析

李锦涛，毛 毳，宋 欣

（天津城建大学 土木工程学院，天津 300384）

近些年来，随着人类物质生产力水平的发展，越来越多的高层建筑物出现在人们的视野当中，而这些建筑因为人们的密集群聚更容易成为恐怖爆炸袭击的目标.在结构方面，许多的高层建筑开始使用钢管混凝土组合结构，如天津津塔、深圳京基金融中心等，故对这种结构的抗爆性能进行研究是十分必要的.

兰州理工大学的王文达教授课题组对钢管混凝土柱-钢梁组合框架的力学性能做了大量的研究，最后的结果都表明了该类组合框架具有良好的抗冲击性能[1-3].但是，现在对于该类组合框架的研究多集中于抗震方面，或是围绕梁柱节点以及单独构件在爆炸荷载作用下的动力响应和损伤参数，关于整体组合结构的抗爆炸性能还鲜有人研究.因此，本文运用显式动力学有限元软件ANSYS/LS-DYNA，分析了在爆炸荷载作用下，钢管混凝土组合框架的破坏形式，以及炸药当量和楼板对破坏的影响，从而找出其薄弱环节.

1 有限元模型的建立

考虑到计算量，本文仅建立了单层的钢管混凝土组合框架有限元模型进行研究，框架、空气、炸药和刚性地面皆采用SOLID164单元建立模型，炸药位于结构的中心位置，距地面100 mm处，具体见图1.

图1 整体模型示意

1.1 几何模型及荷载

组合框架模型如图2所示，该钢管混凝土-钢梁外环板式框架双向对称，纵横两向跨度皆为4 500 mm，层高3 600 mm，圆钢管柱直径D为400 mm，其中钢管壁厚10 mm，钢梁尺寸400 mm×250 mm×10 mm×10 mm（高度×宽度×腹板厚×翼缘厚）.外加强环板平面尺寸见图3，环板厚度10 mm，楼板厚度为100 mm.钢管及钢梁采用Q345钢，核心区混凝土柱混凝土强度等级为C50，楼板混凝土强度等级为C25.整体框架施加自重及活载，楼面活载取2 kN/m2，不考虑风荷载的影响.空气域四周皆采用无反射边界，数值模拟采用ALE算法，单位制选用 cm-g-μs，运算时间为 10 000 μs.

图2 组合框架模型

图3 外环板节点尺寸

1.2 材料参数

本文采用JOHNSON_HOLMQUIST_CONCRET[4-5]模型来模拟混凝土，该模型综合考虑了大应变、高应变率，具体参数见表1.

表1 混凝土模型参数[6-7]

钢管及钢梁用MAT_PLASTIC_KINEMATIC[4]模型来进行模拟，该模型考虑了钢的应变率效应，具体参数见表2.

表2 Q345钢模型参数[6，8]

对于理想空气选用MAT_NULL[4]和线性多项式状态方程*EOS_LINEAR_POLYNOMINAL[4]进行模拟，具体参数见表3.

采用了MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN[4]材料模型和JWL[4]状态方程来模拟TNT炸药，具体参数见表4.

表3 空气状态方程参数[9]

表4 炸药状态方程参数[8]

1.3 材料失效准则及侵蚀算法

ANSYS/LS-DYNA里大多数材料在失效时并没有程序自动判断其单元、节点是否发生了失效而进行删除，所以单元在发生大的变形、位移或者失效时，很可能会出现网格畸变，造成单元负体积等问题.考虑到上述情况本文采用了侵蚀算法[4]来控制材料的失效，经过试算，选取了单元最大主应变0.05和最大剪应变0.9作为判别单元失效的准则.

2 组合框架的破坏形式及动力反应

选取67.2 kg的炸药模拟组合框架在爆炸荷载作用下的破坏过程（见图4）.如图4所示，爆炸前混凝土楼板在静力作用下，板柱节点位置处受力较大.爆炸发生后，板中心位置在爆炸冲击波作用下发生冲切破坏，沿着两条垂直的塑形铰线起拱，板柱节点处破坏后裂缝沿着梁板交接处不断发展.

图5为静力下框架的Mises等效应力云图，可以看出此时梁的跨中和节点处为受力较大的位置.当炸药爆炸后，爆炸冲击波首先到达柱的迎爆面，随后力传递至柱脚，当冲击波到达梁下翼缘位置时，梁开始产生变形，下翼缘内侧部分向上弯曲.随后冲击波不断上移，到达梁腹板处高度时，腹板受到冲击作用开始产生水平位移，并将力传递至梁端，梁柱节点受力剧增，此时冲击波已经位于梁的下翼缘上部，下翼缘开始产生向下的弯曲变形，而上翼缘两侧部分以腹板为轴线向上弯曲，由于有板的约束，腹板下部水平位移要大于上部，梁柱节点与腹板交接处的力开始往下传递，下环板受到很大的水平拉力，并将其向柱端传递，柱上部受到节点传递来的水平力产生向结构内部的弯曲变形.随着爆炸荷载在结构上的不断作用，梁的上下翼缘屈曲变形也不断变大，下外环板受到拉力作用开始出现开裂.框架最终破坏形式如图6所示，可以看出此时环板被拉裂，梁失去约束导致位移剧增，结构遭到破坏.

图4 混凝土楼板Mises等效应力云图

图5 静力下框架Mises等效应力云图

图6 最终时刻框架Mises等效应力云图

综上可以看出此种外环板组合框架破坏的根源在于钢梁在爆炸冲击荷载作用下产生了很大的屈曲变形，导致梁柱节点处外环板被拉裂，梁失去约束而产生了过大的位移.由于钢梁的刚度远远大于钢筋混凝土梁，没有产生很大的剪切破坏，梁柱节点处是被拉坏而不是剪切破坏，这是与普通钢筋混凝土框架破坏最大的不同之处.

3 炸药当量的影响

经过试算，本文最终选取了 10.8，39.6，61.2，100.8 kg共4种情况进行比较，炸药位置依然在结构中心处，距离地面100 mm，分别记为工况1、工况2、工况3和工况4.

随着炸药当量的增大，板更早出现破坏，板柱结合部完全破坏，且梁板结合部位也出现破坏.板的破坏形式由受弯破坏变为以冲切破坏为主（见图7-8）.

图7 工况1板的破坏

图8 工况3板的破坏

梁柱节点由于梁屈曲变形而受拉出现塑性变形，随着炸药当量的增大，梁产生的水平位移不断增大，致使节点处梁柱节点最终被完全拉坏（见图9）.

核心混凝土柱的破坏以受弯破坏为主，梁柱节点处柱内侧混凝土会受到环板应力集中的影响，从下环板位置处开始出现损伤，之后向上延伸.随着炸药当量的增长，混凝土柱迎爆面开始出现冲切破坏，而背爆面也随着柱弯曲的增大而出现拉坏（见图10）.

图9 工况4梁柱节点最终破坏

图10 核心区混凝土柱最终破坏

从结构破坏过程中可以发现，外环板处为结构薄弱的位置，故选取该位置处单元进行分析.因由破坏形式可以看出，环板的破坏由受拉引起，故重点比较了环板处的最大拉应力（见图11），由图11可知工况4环板在100.8 kg当量炸药作用下，很快即达到最大拉应力峰值753 MPa，随后单元因超过极限拉应变而失效，最终拉应力降为0 MPa.图12为环板处有效塑性应变时程曲线.由图12可知：工况1拉应力峰值刚刚超过Q345钢的屈服强度，环板因此未遭受破坏，结构也只是产生了很小的塑性应变；工况2的塑性应变最终为0.11；工况3为0.15，较工况2增大了1.36倍；工况4的塑性应变最终为0.20，较工况3增大了1.33倍.可见塑性应变的增幅基本与炸药当量增大的倍数一致.随着炸药当量的增大，应变率对构件的影响不断增大，故比较了环板处单元的速度变化（见图13），由图13可以看出构件的变形速度越来越快，环板在短时间即遭到破坏，不能充分发挥材料的延性.

图14比较了4种工况钢梁下翼缘跨中位置的Tresca最大切应力，随着炸药当量的增大，切应力的峰值越来越大，工况4的峰值已经达到329 MPa，可见梁下翼缘逐渐由弯曲破坏向弯曲剪切耦合破坏变化.

图11 环板处最大拉应力时程曲线

图12 环板处有效塑性应变时程曲线

4 混凝土楼板的影响

为研究混凝土楼板的存在是否对组合框架结构在爆炸荷载下的破坏及动力反应存在影响，选取了10.8，39.6，61.2，100.8 kg 炸药当量建立模型进行了模拟，并与这4种炸药当量下有楼板的模型破坏结果进行了比较.同样当量炸药情况下有板和无板的框架破坏形式、破坏位置大致相同.梁的上下翼缘发生屈曲变形，上翼缘两侧皆以腹板为轴向上发生弯曲，下翼缘内侧部分向下弯曲，外侧部分则在负压的作用下向上弯曲.爆炸荷载开始作用在梁上时以竖直方向变形为主，随着爆炸冲击波的扩散，梁在水平方向发生弯曲，柱则受梁的拉力作用向框架内部弯曲.但在相同炸药当量下有板的框架明显比无板的框架损伤要大，尤其是梁柱节点部位更加明显（见图15），无板的节点处裂缝还没有贯穿，而有板的节点上下翼缘连同钢管都一同被拉裂.因为失去了部分钢管的约束，有楼板的柱侧向弯曲更大，内侧受压损伤更严重，外侧出现拉裂（见图16）.

图13 环板处速度时程曲线

图14 梁下翼缘跨中位置最大切应力时程曲线

图15 100.8 kg炸药下梁柱节点处破坏

图16 100.8 kg炸药下核心区混凝土破坏

由上文可知破坏的根源在于梁变形过大，所以重点比较了有楼板和无楼板时不同炸药当量环板处的Mises等效应力（见图17）及钢梁跨中的水平位移（见图18）.

图17 环板处Mises等效应力时程曲线

图18 梁跨中水平位移时程曲线

图17a、图18a为10.8 kg当量炸药时框架构件的反应，此种工况下混凝土楼板没有破坏，可以明显看到混凝土楼板能够约束钢梁的弯曲变形，一定程度上控制了梁、柱的水平位移，从而减小了环板处的拉力，延缓了结构的破坏，混凝土楼板对整个结构起到了拉结的作用，使得结构整体性更好.但是一旦当板遭受到破坏时，如图17b、图18b，反而整体结构会产生更大的损伤以及位移变形，梁跨中水平位移峰值甚至能达到无板情况下的1.5倍左右，造成这种结果的原因可能是：①虽然混凝土板的存在能够耗散爆炸冲击波的能量，但是板一旦破坏，大部分冲击波都将作用在梁上，使得梁的变形剧增.相反没有板的话，大量冲击波直接穿过框架顶部，消散在空气中，并没有作用到框架上.②楼板与钢梁上翼缘存在着一定约束，当楼板产生变形时，也会使钢梁受拉产生很大的位移.但是从另一个角度来看，楼板的破坏可以快速地将冲击波压力释放出去，这样在一定程度上避免了冲击波在结构内部进行多次反射而对框架结构主要受力构件造成破坏.

5 结论

（1）爆炸荷载作用下，混凝土楼板主要受冲切破坏，沿着双向塑性铰线起拱，钢梁则主要受弯，水平方向的变形远远大于竖向的变形，上下翼缘产生很大的屈曲变形，混凝土柱受到由钢梁传递过来的拉力向结构内部弯曲，梁柱节点处受拉破坏，钢梁失去约束产生极大的变形导致结构整体破坏.

（2）随着炸药当量的增大，板出现冲切破坏，梁由弯曲破坏逐渐变为弯曲剪切耦合破坏，混凝土柱迎爆面开始出现冲切破坏，而背爆面也随着柱弯曲的增大而出现拉坏.

（3）当混凝土楼板没有遭受破坏时，可以损耗爆炸冲击波能量，约束梁、柱的水平方向变形，提高结构的整体性.楼板破坏后，冲击波压力释放到空气中，一

（）（）定程度上避免了冲击波在结构内部进行多次反射而使结构遭到更大的破坏.