聚脲涂层防护下钢筋混凝土柱的抗爆性能研究

2022-02-23赵苏政葛文璇

工程爆破 2022年6期

赵苏政，葛文璇

(1.江苏航运职业技术学院，江苏南通 226010；2.南通大学交通与土木工程学院，江苏南通 226019)

近些年来，恐怖袭击和偶然爆炸事件造成的经济损失和人员伤亡非常严重，同时伴随着恶劣的社会影响[1]。爆炸荷载也因此引起了重视，进入许多设计人员的考虑范围，确保民用和军用建筑及结构具有抗爆炸能力正变得越来越重要。作为保证结构稳定的钢筋混凝土柱极易受到爆炸荷载的作用，在近距离爆炸加载过程中，这些柱非常脆弱。因此需要通过抗爆防护设计，使其不仅具有足够的强度还具有一定的连续性和延展性[2]。保护钢筋混凝土柱免受人为爆炸危害的主要方法有两种，一种是加强结构以更好地承受爆炸荷载，例如使用超高性能纤维混凝土[3-6]。另一种方法是通过外部包层结构的保护来减少损伤，提高钢筋混凝土柱在极端爆炸荷载作用下的强度和延性[7-9]。

材料科学在近几十年来得到的迅速发展，为提高钢筋混凝土柱的抗爆性提供了较好的条件。许多学者将泡沫铝、碳纤维布、碳纤维板材、聚脲弹性体等复合材料和高分子材料用于结构的防护，进行了大量的试验和数值研究，并取得了较多的成果。王家磊[10]对CFRP包裹震损钢筋混凝土柱的抗震性能进行了试验研究，表明采用横向碳纤维布套箍加固使柱具有较高的承载力和延性。Jacques[11]对采用外粘结纤维增强聚合物作为加固技术提高钢筋混凝土墙体和板的抗爆震性能进行了试验研究。Mutalib和Hao[12]建立了FRP加固钢筋混凝土墙在爆炸荷载作用下的数值模型。数值结果表明，FRP加固有效地提高了钢筋混凝土墙体的抗爆震能力。赵均海等[13]采用LSDYNA有限元软件对FRP钢管混凝土柱的抗爆性能进行了数值研究。HOO FATT M S[14]和DAVIDSON J S等[15]采用聚脲涂层加固砌体墙，研究了墙体在爆炸荷载下的变形能力并对聚脲加固墙体的有效性进行评估。AMINI M R等[16]针对聚脲涂层增强钢板的防护性能进行了冲击试验，研究了聚脲的不同位置对加固效果的影响。张守旸等[17]采用LSDYNA对沉箱码头在聚脲弹性体加固下的抗爆性能进行了数值研究。

文献综述表明，聚脲弹性体具有易喷涂、粘结力强和反应时间短等优点，是一种较好的抗爆防护材料，学者们对其在墙体结构防护、金属结构防护和复合结构防护方面进行了一些研究。但对聚脲涂层加固钢筋混凝土结构的抗爆性研究尚不多见，特别是钢筋混凝土柱在近距离爆炸情况下。本文对聚脲弹性体防护钢筋混凝土柱的抗爆炸性能进行数值模拟研究，探究柱的破碎形态和聚脲涂层加固效果，为钢筋混凝土柱的抗爆防护设计提供参考。

1 有限元模型

1.1 模型的建立

根据钢筋混凝土柱在爆炸荷载下响应的模型试验[18]，将柱的有限元模型尺寸设置为截面15 cm×15 cm，高1.7 m的方形柱。柱内布置4根纵筋和23根箍筋，箍筋间距为70 mm。纵筋和箍筋的直径分别为8 mm和6.5 mm。混凝土和聚脲弹性体采用Lagrange单元，聚脲单元与混凝土单元共节点建模，纵筋和箍筋采用Beam单元。通过数值收敛研究，采用10 mm网格后，单元尺寸的进一步减小对数值结果的影响不大，但会导致计算机内存溢出的风险，大大增加计算时间。因此，在数值模型中采用了10 mm的网格。钢筋混凝土柱的有限元计算模型如图1所示。

图1 有限元计算模型Fig.1 Finite element calculation model

有限元模型包括混凝土、钢筋、聚脲涂层3个部分。为了在两种不同的单元(Lagrange单元和Beam单元)之间传递力和应变，混凝土和钢筋之间必须有完全的粘结。通过关键字*CONSTRAINED _LAGRANGE _IN_SOLID将混凝土单元与纵筋及箍筋单元耦合。混凝土柱的两端采用固定约束，柱身四周为自由边界。

1.2 模型参数的选择

混凝土采用*MAT_CONCRETE_DAMAGE_REL3本构模型，密度为2 400 kg/m3，强度为31 MPa。该模型是Kargozian和Case (K&C)模型的第三个版本，采用基于塑性的三面剪切破坏方法，能够考虑速率效应。根据混凝土的无侧限抗压强度，在程序中自动生成模型参数。多项研究表明，该模型能较好地反映结构在爆炸荷载作用下的响应[19-21]。使用塑性随动强化模型*MAT_PLASTIC_KINEMATIC描述纵筋和箍筋的力学特性，密度为7 800 kg/m3，应变率参数SRC=40.4，SRP=5。聚脲弹性体采用* MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY模型，该模型应包含弹性和塑性阶段，并采用Cowper-Symbols 模型分析在爆炸荷载下材料的应变率效应。材料的屈服通过断裂应变进行定义，材料的应力应变曲线由屈服强度和剪切模量进行定义或者通过八组塑性应变和应力的数组进行定义，具体材料参数如表1所示[17]。

表1 聚脲本构模型参数

1.3 荷载施加的选择

爆炸荷载施加的方式一般有3种，①时间荷载曲线加载法，该方法通过获取超压峰值和正压持续时间，定义两个特征参数的数组或曲线施加爆炸荷载，这种加载方式没有考虑爆炸冲击波和被爆物的相互作用。②建立炸药、空气及结构的模型，通过添加关键字使炸药、空气的ALE网格与结构的Lagrange网格实现流固耦合，可以观测到爆炸冲击波的传播以及与结构的相互作用，数值结果较为直观，但是计算时间较长而且对计算硬件的要求也较高。③CONWEP模型加载，这种加载方式不需要建立和划分爆炸场网格，计算较快，但是不能考虑炸药形状、以及障碍物对结构的影响等因素。当爆炸发生后，一般情况下结构除了承受爆炸直接引起的压力以外，还要承受高速破片的撞击作用和地面冲击荷载[6]。文中考虑到研究的方便，采用第三种方式加载。通过*LOAD_BLAST命令卡输入起爆位置和换算TNT当量，结合*LOAD_SEGMENT_SET关键字对结构施加荷载。文献[17]及文献[22]研究结果表明CONWEP模型加载在近距离爆炸数值分析中是具有可靠性的。

2 钢筋混凝土柱抗爆性能分析

2.1 模型参数的验证

通过与文献[18]中钢筋混凝土柱在近距离爆炸载荷作用下的毁伤试验中的破坏模式及跨中位移对比，验证模拟的有效性。数值仿真中钢筋混凝土柱的破坏形态和试验的对比，如图2所示。跨中位移的数值结果和试验结果的对比如图3所示。

图2 破坏形态对比Fig.2 Comparison of failure modes

图3 跨中位移对比Fig.3 Comparison of midspan displacement

显然可以看出，数值结果中的钢筋混凝土柱在上表面因受到爆炸荷载的冲击而产生了轻微压碎现象，而背爆面出现类三角形的震塌现象，破坏模式与试验结果表现出高度相似性。数值结果中的跨中位移时程曲线与试验相比偏差较小，最大跨中位移的偏差值为9%，能够较好地计算爆炸荷载作用下钢筋混凝土柱的最大位移。可以认为，在近爆荷载作用下，数值分析预测结果与试验结果基本一致。因此，数值模型采用的材料参数能准确模拟钢筋混凝土柱在近爆载荷作用下的动态响应和破坏模式。

2.2 不同比例距离下的破坏模式

作用在结构上的压力和时间都与炸药的重量及与被爆结构的距离有关，为了综合考虑炸药的重量和距离对结构的影响，通常引入比例距离的概念，比例距离Z定义为

Z=R/W1/3

(1)

式中：R为结构与起爆中心的距离；W为TNT炸药的质量，非TNT炸药需要进行等效转化。

通过上文介绍的数值方法对爆炸荷载作用下的钢筋混凝土柱进行模拟研究，设置了比例距离为0.5、0.52、0.54、0.56和0.59等5种工况，分析结构破坏程度以及比例距离对结构抗爆性能的影响，不同比例距离下钢筋混凝土柱的破坏模式如图4所示。

图4 钢筋混凝土柱的破坏模式Fig.4 Failure mode of reinforced concrete columns

由图4可以看出，当Z=0.50时，柱除了上表面出现少量压碎现象和下部出现类三角形震塌区外，两端也出现少量的破碎。随着Z增加到0.52，柱的上表面仅有个别单元被删除，下部的类三角形震塌区域的范围缩小，两端单元的最大主应变没有达到删除阈值。当Z=0.54时，柱的上表面压碎区已经消失，而下部的类三角形震塌区也变成三条竖直主裂纹和边缘少量的剥落。随着比例距离的继续增加，柱跨中的主裂纹长度减小直至消失，爆炸荷载对柱体造成的损伤已经非常有限。上述现象的产生主要是由爆炸应力波的传播引起的，当爆炸应力波与柱的上表面接触时，引起的压应力波使柱上表面产生破碎，而在下表面产生充分的反射拉伸应力波，导致出现明显的剥落现象。

为了进一步探讨比例距离和柱跨中位移的关系，将跨中最大位移与比例距离进行拟合,结果如图5所示。

图5 跨中最大位移与比例距离的关系Fig.5 The relationship between the maximum midspan displacement and the scaled distance

可以看出跨中最大位移与比例距离成线性关系，随着比例距离的增加，跨中最大位移逐渐减小。当比例距离从0.5增加到0.63时，跨中最大位移由10.5 cm降为1.07 cm，减小了近10倍，极大的弱化了爆炸荷载对钢筋混凝土柱的毁伤效应。

2.3 不同聚脲涂层厚度下的破坏模式

为研究聚脲弹性体对钢筋混凝土柱抗爆加固的影响，取跨中位移和毁伤程度最大的比例距离即Z=0.5，在此情况下改变聚脲弹性体的厚度，取值范围为2～10 mm。探讨聚脲弹性体厚度对钢筋混凝土柱跨中位移和毁伤效应的影响。部分厚度聚脲弹性体防护下柱的毁伤效应如图6所示，图中左侧红色数字为聚脲弹性体的厚度，跨中的红色区域为单元删除造成的毁伤。

图6 聚脲加固下钢筋混凝土柱的破坏模式Fig.6 Failure mode of reinforced concrete column strengthened with polyurea

由图6可知，不同的聚脲涂层厚度加固下钢筋混凝土柱跨中毁伤区域均比无聚脲涂层加固 (图4中Z=0.5) 的毁伤区域小，即所有采用聚脲加固的柱体都能承受来自同一爆炸荷载的冲击，且损伤区域受到限制，表明聚脲涂层能够提高钢筋混凝土柱的抗爆性。但同时也可以看出，并不是随着聚脲涂层厚度的增加，柱的跨中毁伤区域就越小。当聚脲涂层厚度为2 mm时，混凝土柱在受压侧出现轻微的破碎，下部出现类三角形毁伤区域和一条竖向主裂缝。当聚脲涂层厚度增加到6 mm时，柱体仅在下部出现轻微的片落和一条较小的主裂纹，未形成类三角形毁伤区。钢筋混凝土柱的毁伤主要是由于爆炸应力波的作用形成的，应力波在聚脲和混凝土柱表面的透反射作用增加了结构的抗爆吸能能力。聚脲作为一种具有硬段和软段的材料，硬段在爆炸荷载的作用下迅速聚集、压实，使均相聚脲中的波速远大于加载波速，而硬段高度压实，材料的刚度增大，又使均相聚脲中的波速小于卸载波。加载波与卸载波具有较大的速度差，促使卸载波能在短距离内赶上加载波，削弱了加载波的作用，也达到消散能量的效果[23]。当聚脲涂层厚度继续增加到8、9、10 mm时，可以看出柱体的毁伤区与前几种厚度下相比有明显的增大，而且伴随着钢筋的断裂。在比例距离为0.5时，爆炸荷载仅能使受压区产生轻微破坏，毁伤区域大多发生在柱的受拉区。因此，在相对较小的爆炸荷载下受拉面的加固对钢筋混凝土柱的保护作用更为重要。为了更清晰的比较不同聚脲厚度的防爆效果，统计了柱的跨中最大位移和聚脲涂层厚度的关系，结果如图7所示。

图7 跨中最大位移和聚脲涂层厚度的关系Fig.7 Relationship between maximum midspan displacement and polyurea coating thickness

由图7可知，柱的跨中最大位移并不是随着聚脲涂层厚度的增加呈单调递减的关系，当聚脲涂层厚度从0 mm增加到6 mm时，跨中最大位移从10.5 cm降低到5.05 cm，在相同的爆炸荷载下，进一步减少了约51.9%的位移。当聚脲涂层厚度从6 mm增至10 mm时，跨中最大位移又回升至6.84 cm，相应的毁伤区域也是最大的。总体上看，柱的跨中最大位移是随着聚脲涂层厚度的增加呈现出一种“V”字型的先降后升趋势。因此，采用聚脲弹性体提升钢筋混凝土柱的抗爆性时具有一个最优厚度，不能一味的增加涂层厚度来提高抗爆性能。