爆炸荷载作用下不同抗剪连接件组合梁动力响应及破坏模拟分析*

孙炳鑫，王晓磊，马文彪,刘 强，刘世勇

(1.河北工程大学 土木工程学院，邯郸 056038；2.华南理工大学 土木与交通学院，广州 510640； 3.中冶节能环保有限责任公司，北京 100088)

钢-混凝土组合结构由于能充分发挥混凝土和钢材各自的优点，已在桥梁工程和其他工程实践中得到广泛的应用[1]，钢与混凝土能够共同承受荷载主要是靠焊在钢材上的抗剪连接件(PBL、栓钉等)与上部混凝土连接成整体实现的[2]，已有学者对不同抗剪连接件钢混组合结构进行静载推出试验，宋瑞年对开孔和无孔2类波形钢板剪力键试件[3]，进行推出试验和数值模拟参数研究，得出波形钢板剪力键承载力计算公式并验证了其准确性。薛东焱采用有限元软件模拟含有贯穿钢筋开孔板连接件静载推出试验[4]，得出PBL抗剪连接件的极限抗剪承载力与钢筋屈服强度、直径和长度的关系表达式。汪劲丰对5组24个含有不同直径和高度栓钉的试件进行推出试验[5]，获得了栓钉在不同直径和高度下的荷载-滑移曲线和破坏模态，建立了栓钉连接件长径比为4.5～13.2时，栓钉连接件发生剪断破坏时的抗剪承载力计算式。但工程结构除承受静荷载外，还可能承受偶然的爆炸冲击动荷载[6]。已有研究表明[7]，钢-混凝土组合结构比普通钢筋混凝土结构的抗爆性能优异。当前，钢-混凝土组合结构的抗爆性能研究已成为爆破工程的研究热点[8]，Zhao Zhu对未含有抗剪连接件的钢混组合桥梁进行汽车爆炸数值分析[9]，得出在桥梁抗爆设计中应以抗弯承载力和抗剪承载力为控制指标。曲艳东等对含有J 型连接件的钢混组合板在TNT炸药量为 50～100 kg爆炸冲击作用下进行数值模拟分析[10]，结果表明：炸药量和爆距是影响组合板破坏形态的关键因素。Lingzhao Meng介绍了常用的抗剪连接件[11]，并对含有螺栓连接件的钢混凝土钢夹层壳体进行了数值模拟分析，数值结果表明：背面钢板较厚的曲面SCS夹层壳体表现出较好的抗爆性能，当矢跨比超过0.16～0.25时，曲壳的破坏更为严重。

由于进行爆炸试验比较复杂且具有一定的危险性，而数值模拟已成为研究爆炸问题经济有效的研究方法[12-15]。鉴于当前对钢混组合结构多集中于静载推出试验研究，而对爆炸荷载作用下组合结构多集中于单一连接件，对不同抗剪连接件的钢混凝土组合结构在爆炸荷载作用下的性能研究较少。本文利用ABAQUS有限元软件，研究含有波形抗剪连接件、PBL抗剪连接件、栓钉连接件的组合梁在爆炸荷载作用下的动力响应及破坏形式。

1 有限元模型的建立

1.1 模型验证

由于爆炸是强烈的非线性，混凝土参数采用考虑率相关的JH2本构模型[16]，参数如表1。

表1 JH-2参数[16]Table 1 JH-2 parameters[16]

混凝土尺寸为2000 mm×400 mm×120 mm。其中炸药采用方形TNT炸药，质量为2 kg，TNT采用Lee Tarver建立的普遍采用的“Jones Wilkins-Lee”(JWL)状态方程[17]。这个方程正确地再现了爆轰后气体膨胀的现象。

(1)

式中：P为静水压力；V为比体积；A、B、R1、R2和ω(绝热常数)为常数，其值已通过动态实验确定。本研究中使用的TNT特性如表2所示。其中VC-J、eC-1、PC-J和分别表示C-J爆速、能量和压力。

表2 TNT参数方程Table 2 TNT parametric equation

空气采用理想气体状态方程(EOS)。在理想气体中，内能是温度的函数。因此，具有均匀初始条件的气体的状态方程可以写成

(2)

式中：p为静水压力；ρ为密度；e为比内能;γ是绝热指数，定义为

p=(γ-1)ρe

(3)

式中：R表示通用气体常数；γ除以特定气体的有效分子量；CV是恒定体积下的比热；e为比内能。表3显示了本研究所用空气的特性[18]。

表3 空气参数Table 3 Air parameters

将混凝土板四端固定，约束全部自由度，对于空气域采用无反射边界，底部固定。混凝土网格尺寸0.05，欧拉域尺寸0.075，炸药尺寸采用方形炸药，尺寸加密0.01。

整个模型如图1。模型得到结果与P0-1试验对比如图2[19]。

图1 流固耦合模型Fig. 1 Fluid-solid interaction model

图2 P0-1试验与模拟结果对比[19]Fig. 2 Comparison of P0-1 testand simulation results[19]

对比试验与模拟结果，试验得到爆坑直径为295 mm，模拟结果混凝土爆坑失效删除单元6个，因此爆坑直径为300 mm，误差为1.6%，背爆面震塌面积为 550 mm×530 mm 且几乎贯穿，模拟结果显示背爆面混凝土损伤区域12个网格，约600 mm×600 mm。跨中混凝土单元删除显示已经贯穿，由于试验中四边固定临空状态，在爆炸过程中可能存在晃动，使爆炸威力分散，故没有完全贯穿。而模拟中理想边界四边固定不动，造成模拟结果相比较实际试验要严重一些。综合来看采用流固耦合算法同样可较好的模拟爆炸荷载作用下钢筋混凝土板的动态响应，验证了流固耦合模型的合理性。

钢筋被模拟为各向同性、线弹性和应变硬化。它与热软化塑性有关。钢的压缩量与压力水平近似成正比。因此，弹性响应由线性状态方程定义。压力水平取决于体积模量K和压缩密度ρ的函数

P=Kμ

(4)

(5)

塑性响应由Johnson和Cook应变硬化、应变率有效和压力软化材料本构定律定义[20]。屈服强度Y

(6)

(7)

式中：T为材料温度；Tmelt为熔化温度；Troom为室温。本研究中使用的钢筋性能如表4和表5所示[20]。

表4 钢筋性能(线性状态方程)Table 4 Properties of steel(LINEAR EQUATION OF STATE)

表5 钢筋性能(JC强度模型)Table 5 Steel Properties(JC STRENGTH MODEL)

栓钉、钢板选用弹塑性模型，文献[21]进行了高温下钢螺栓双角钢连接的分析，计算了ST14钢材螺栓节点在动载下的性能，本文同样参用该参数，损伤准则采用柔性损伤。根据文献[22]拟合出的断裂应变与应力三轴试验结果的最佳曲线，曲线如图3。

图3 断裂应变与应力三轴试验结果的最佳曲线拟合Fig. 3 Best curve fitting of fracture strain and stress triaxial test results

1.2 边界条件及网格划分

由于爆炸是强烈的动态非线性问题，选用动力显示分析步骤，为进一步得到相对准确计算结果，不进行质量缩放，由于爆炸现象持续时间极短，所以时间选用较短时间0.001 s，打开几何大变形。对于欧拉体与拉格朗日体采用通用接触，接触属性默认，混凝土与钢梁采用面面接触，摩擦系数选为0.4，法向硬接触。栓钉、钢板下表面与钢梁绑定，钢筋、栓钉、钢板内置入混凝土中，混凝土榫与钢板之间空洞接触和混凝土与钢梁接触属性保持一致。TNT炸药位于混凝土上方0.2 m处，由于网格质量对CEL分析结果影响较大，本文研究重点在拉格朗日部件，欧拉体部分适当细化选用与拉格朗日体尺寸接近，混凝土、钢板、栓钉部件结构比较复杂，局部进行加密处理，类型均选用C3D8R。图4给出了波形抗剪连接件组合梁流固耦合模型。

图4 流固耦合模型Fig. 4 Fluid-solid coupling model

三种类型抗剪连接件模型如图5所示。

图5 三种连接件组合梁Fig. 5 Three kinds of connectors combined beam

1.3 结果分析

炸药爆炸的动态整体效果过程如图6所示(以栓钉组合梁为例)，炸药正下方的混凝土破坏严重，向左右两侧扩展。

图6 整体效果Fig. 6 Overall effect

选取炸药正下方迎爆面中心点，绘制三种抗剪键组合梁的位移情况图7，开孔钢板位移最大，在爆炸过程中钢板连接件位移持续增加，而栓钉总体位移较小，且位移无明显增加。

图7 三种连接件组合梁位移Fig. 7 Three kinds of joint beam displacement

由位移云图8，可以发现混凝土的剥落集中连接件外侧。对于开孔连接件，混凝土榫起到一定的抗冲击作用，模拟结果图9发现波形板中的榫位移比开孔板中榫的位移大，并且炸药正下方榫破坏最为严重，观察三种连接件的应力图10可以发现应力变化值比较接近，钢板类连接件破坏主要集中在圆孔与榫的连接处，栓钉破坏主要集中在上部。根部出现剪切破坏。绘制三种组合梁混凝土迎爆面中点速度时程曲线图11，提取数据发现0.00012 s时速度达到最大值，其中栓钉峰值速度最大，开孔钢板和波形钢板峰值速度接近，在随后的时间，栓钉组合梁混凝土速度迅速下降，由于钢板为刚性连接件，抗冲击能力较强，但峰值过后，栓钉为柔性连接件，与混凝土共同作用，吸能效果较好。因此速度降为最小。

图8 组合梁位移Fig. 8 Displacement of composite beam

图9 榫应力云图Fig. 9 Stress nephogram of concrete tenon

图10 三种连接件应力云图Fig. 10 Stress nephogram of three kinds of connectors

图11 三种连接件速度响应曲线图Fig. 11 Velocity response of three kinds of connectors

通过对开孔钢板中间三个榫内加入直径为0.004 m钢筋，对比图10与图12在榫内加钢筋云图，圆孔处的破坏程度降低。观察背爆面混凝土塑性破坏云图13，混凝土破坏失效删除部分主要集中在不包含连接件的部分。其中栓钉组合梁破坏区域较少。

图12 带筋应力图Fig. 12 Stress diagram with reinforcement

图13 三种连接件混凝土背爆面Fig. 13 Back blasting face of concrete with three kinds of connectors

2 结论

(1)采用流固耦合方法建立的数值模型经过与试验对比能真实反映爆炸荷载作用下结构的真实动态响应。选取合适的钢材以及混凝土本构关系，正确定义边界条件和构件间的约束接触作用，并结合实验结果开展数值模拟验证，能确保模拟方法的有效以及合理性。

(2)爆炸直接冲击导致组合梁连接件内侧混凝土失效删除，外侧混凝土剥落，爆炸产生的应力波沿爆心向左右两侧传播，造成临近爆点混凝土产生较大塑性损伤。

(3)含有波形钢板和PBL开孔此类刚性连接件组合梁在承受爆炸峰值振速较小，栓钉此类柔性连接件组合梁峰值振速较大，由于栓钉数量较多导致反射拉伸波减小，吸能较好，峰值过后振速最小并且位移最小。三种连接件应变接近但破坏形态不同，栓钉顶部受到直接冲击，底部受剪，开孔连接件破坏集中在开孔处。另外混凝土榫内添加贯通钢筋可有效降低开孔连接件开孔处的变形。