爆炸荷载作用下圆钢管混凝土柱的损伤分析

(广州大学土木工程学院 广东 广州 510000)

爆炸荷载作用下结构构件的损伤程度评估是一个极其复杂的课题，迄今为止，结构构件在爆炸荷载作用下的损伤程度评估方面能够实际应用的成果仍为空白。在结构构件在爆炸荷载作用下的损伤程度评估领域比较认可的研究方向是确定结构构件的压力-冲量曲线，即P-I曲线[1]。一旦确定某个结构构件的P-I曲线图，即可运用该P-I曲线图，准确预测该构件在任意爆炸荷载作用下可能的损伤程度。

一、确定P-I曲线的现有方法

(一)试验方法

试验方法是通过试验得到结构构件在一系列爆炸荷载作用下的损伤程度，将各个损伤程度对应的爆炸荷载点绘制到P-I空间中，然后根据这些点通过曲线拟合方法得到某一特定损伤程度对应的结构构件的P-I曲线。

采用试验方法得到构件的P-I曲线需要大量的试验数据，而爆炸试验价格昂贵，因此试验方法往往较难实现。

(二)数值模拟方法

数值模拟方法是利用有限元动力分析软件如ANSYS等准确模拟结构构件在爆炸荷载下的动力响应和损伤破坏。通过数值模拟方法，可以方便的得到构件在不同爆炸荷载作用下的动力响应和破坏形态以及损伤的相关数据，然后通过曲线拟合的方法得到构件的P-I曲线。

(三)解析方法

解析方法是通过将结构构件简化为单自由度体系，采用单自由度体系在爆炸荷载作用下的相关响应作为结构的损伤准则，在此基础上，计算单自由度体系在不同爆炸荷载下的响应来确定构件的P-I曲线。

二、损伤评估准则

(一)爆炸冲击波破坏准则

针对爆炸冲击波损伤破坏准则主要有以下三种：超压峰值准则、冲量准则和超压—冲量准则。

1.超压峰值准则

爆炸冲击波对构件或结构的破坏作用与其自振周期和冲击波正压作用时间有密切联系，当自振周期与正压作用时间之比不小于10时，可以认为爆炸冲击波超压达到某一数值时，便会对结构、构件或人员造成某一程度的破坏及损失。超压峰值准则认为爆炸冲击波是否对目标造成损伤由爆炸冲击波超压惟一决定的，即只有当超压大于某一临界值时，才会对目标造成一定的损伤。

2.冲量准则

当构件和结构的正压作用时间小于构件或结构自振周期的四分之一时，可以认为冲击波随时间将正压区范围内的超压陆续作用到结构或构件上时，一直保持物体振动的方向和冲击波超压所施加的外力方向一致，所以冲击波正压区内全部冲量均用在了加速物体的振动上，即目标的破坏是靠冲击波的冲量作用。

3.超压—冲量准则

超压—冲量准则综合考虑了超压和冲量的影响，如果超压和冲量的共同满足某一临界条件，目标就被破坏。在爆炸冲击荷载作用下结构构件的损伤程度评估领域中，比较认可的研究方向是确定结构构件的压力—冲量曲线，即P-I曲线。本文对钢管混凝土柱的损伤评估准则采取超压—冲量准则。

(二)损伤评估准则

定义合理的损伤评估准则是对结构构件进行损伤程度评估的前提，故对结构构件进行损伤程度评估，首先应定义合理的破坏准则。目前常用的钢管混凝土柱的破坏准则有柱中最大位移、最大应力、最大应变和残余承载力等等。支座转角是基于构件峰值的变形，本文将其转化为更易得到的柱中挠度来进行损伤评估。

根据《石油化工控制室抗爆设计规范》[2]，在爆炸荷载作用下，板的转角允许值为，梁、柱、墙(受弯)的转角允许值为。对于钢管混凝土柱构件，当在爆炸荷载作用下支座最大转角为时，认为构件产生了一定程度的损伤。

因此，对于高度为2500mm的钢管混凝土柱，基于柱中侧向最大挠度的损伤准则可表述如下：，轻度损伤；，中度破坏；，重度破坏。

三、基于有限元ANSYS数值模拟方法的圆钢管混凝土柱损伤评估

(一)建立P-I曲线的数值模拟方法

确定结构P-I曲线的方法为在确定损伤准则之后，通过大量的有限元数值模拟改变爆炸工况(炸药当量和爆炸距离)，使得钢管混凝土柱的柱中挠度恰好为损伤程度等级所确定的数值，然后将爆炸荷载的超压和冲量连同该爆炸荷载作用下结构柱的损伤程度等级绘制到P-I空间里，将对应相同损伤程度等级的爆炸荷载点用同一符号来表示，则这些点所形成的将P-I空间分成若干区域的曲线即为P-I曲线。

(二)爆炸荷载的施加

采用ANSYS/LS-DYNA有限元软件进行爆炸荷载的施加主要有三种方法，分别是通过曲线加载-三角形冲击荷载法、通过LOAD_BLAST关键字定义爆炸荷载-CONWEP算法和直接模拟法，考虑到模拟结果的准确性和计算效率，本文选择CONWEP法进行荷载的施加。

(三)钢管混凝土柱P-I曲线建立

按照本文提出的损伤评估准则，以建立的爆炸冲击荷载下钢管混凝土柱有限元模型为研究对象，进行了大量的数值模拟试算，从模拟所得的数据点中找出损伤等级分界点(41.9mm、109.3mm)对应的超压冲量组合临界值，将这些数据点绘制在P-I平面内，得到钢管混凝土损伤等级分界线，即P-I曲线。

将中个临界点绘制在P-I空间中，即得到构件的P-I曲线。通过大量数值模拟后得到P-I曲线的含义是：曲线将P-I空间划分为三个部分，依据前文所述的破坏准则，图中Ⅰ区域为轻度损伤，Ⅱ区域为中度损伤，Ⅲ区域为重度损伤。若P、I组合的数据点落在Ⅰ区域，则表明钢管混凝土柱迎爆面中点挠度没有超过41.9mm，该柱属于轻度损伤；若P、I组合的数据点落在Ⅱ区域，则表明钢管混凝土柱迎爆面中点挠度在41.9mm和109.3mm之间，该柱属于中度破坏；若P、I组合的数据点落在Ⅲ区域，则表明钢管混凝土柱迎爆面中点挠度超过109.3mm，该柱属于重度破坏。若P、I组合的数据点落在恰巧落在两条临界线上，基于结构安全考虑，该柱应分别属于中度破坏或重度破坏。试验柱构件，超压峰值为57.15MPa，冲量峰值为7.2MPa·ms，柱中最大挠度值为145.23mm，属于重度破坏。

四、结论

基于ANSYS-LS-DYNA有限元软件，采用数值模拟的方法得到了钢管混凝土柱的P-I曲线，研究结果表明，采用LOAD_BLAST关键字定义爆炸荷载-CONWEP算法能够有效的模拟钢管混凝土柱在爆炸作用下的动力响应，通过大量数值模拟试算得到了柱构件的P-I曲线，评估分析可知试验构件处于重度破坏状态。