燃气爆炸下碳纤维复合加固板的动力响应和参数分析

王 刚 陶俊林教授

(西南科技大学 土木工程与建筑学院,四川 绵阳 621010)

0 引言

与固体炸药爆炸事故相比,燃气爆炸事故在日常生活中更容易发生。2023年第一季度,国内发生燃气事故143起,环比2022年第四季度的129起增加14起,上升10.9%[1]。燃气爆炸事故会让建筑结构受到损坏,也会造成不同程度的经济损失和人员伤亡,因此,研究建筑结构的抗爆性能是十分迫切的。

楼板是隔开上下房间的主要建筑结构,钢筋混凝土板能否承受燃气爆炸的冲击波,是减少燃气爆炸伤害的关键。已有钢筋混凝土板加固研究发现,碳纤维材料能够提高板的抗爆性能。陈秀华[2]、刘路[3]、岳泪阳[4]对碳纤维加固混凝土结构的抗爆能力进行数值模拟,发现碳纤维能够提高混凝土结构的抗爆性能;Wu[5]、Ha[6]、Urgessa[7]、郭樟根等[8-9]对碳纤维加固的钢筋混凝土板在爆炸作用下的抗爆性能进行试验研究,发现碳纤维可以有效提高钢筋混凝土板的抗爆能力;潘金龙等[10]进行外贴碳纤维对于加固钢筋混凝土板抗爆性能的数值模拟研究,结果表明,在相同条件下随着碳纤维粘贴层数和粘贴密度的增加,加固板抗爆性能不断增强,相同条件下碳纤维加固板比玻璃纤维加固板抗爆性能更优越;董琪[11]和陈锐林等[12]利用LS-DYNA对碳纤维加固后的钢筋混凝土板进行深入模拟计算,结果发现碳纤维能够有效限制板上裂缝的扩展,提升板的抗弯刚度和整体性,从而提高板的抗爆性能;吴志昇团队[13-14]对接触爆炸作用下的6块钢筋混凝土单向板进行试验研究,主要研究炸药量、碳纤维加固及聚脲加固对钢筋混凝土板抗爆性能的影响,结果表明,炸药量增大,钢筋混凝土板损伤加大,破坏模式发生转变,变为冲切破坏。从现有混凝土的加固研究可知,碳纤维布与碳纤维筋均对混凝土板起到很好的加固效果。因为燃气爆炸相比于炸药爆炸,爆炸升压慢、持续时间长,两者的超压荷载不同,现有研究均是对爆炸作用下板的抗爆性能进行研究,对燃气爆炸作用下板的抗爆性能研究较少。

本文在前人研究的基础上,研究碳纤维材料加固后的钢筋混凝土板在燃气荷载作用后的抗爆性能,并用碳纤维布与碳纤维筋同时对钢筋混凝土板进行加固,研究碳纤维布与碳纤维筋复合加固钢筋混凝土板在燃气爆炸下的抗爆性能,采用Flacs软件模拟某典型厨房内的燃气爆炸,得到作用于地板上的燃气荷载时程曲线,基于在LS-DYNA中建立的碳纤维复合加固板数值分析模型,研究燃气爆炸作用下碳纤维复合加固板的抗爆性能。

1 燃气荷载

1.1 燃气模型验证

为准确得到钢筋混凝土板的燃气荷载时程曲线(超压时程曲线),验证设定网格及参数的正确性,对某典型厨房内燃气爆炸的数值模拟与试验得到的燃气荷载时程曲线(超压时程曲线)进行对比。采用Flacs软件模拟得到燃气荷载时程曲线。选取一个12m3爆室[15]进行试验,试验设备如图1,其中S1-S6为测点。选取9.5%的甲烷—空气混合气体,点火位置为爆室中心,在爆室的一面墙壁上有一个面积为0.64m2正方形窗口进行泄压(如图2),基本参数[15],见表1。

表1 基本参数Tab.1 Basic parameters

图1 试验设备Fig.1 Test equipment

图2 计算模型Fig.2 Calculation model

试验与数值模拟燃气荷载时程曲线(超压时程曲线)结果对比,如图3。从图3中可以看出,两者超压的发展趋势相似,试验的最高压力峰值为0.129MPa,数值模拟的最高压力峰值为0.133MPa,两者的压力误差为3.2%,误差较小。燃气荷载时程曲线(超压时程曲线)结果对比验证了所选网格及参数设置的正确性,从而保证获得数据的可靠性。

图3 试验与数值模拟燃气荷载时程曲线(超压时程曲线)结果对比Fig.3 Comparison of overpressure time history curve results between experimental and numerical simulation

1.2 燃气荷载时程曲线

按GB 50096—2011《住宅设计规范》[16]建立典型厨房的模型,厨房及厨房内各家具的尺寸,见表2。将模型与实际厨房燃气爆炸事件结合,将工作台、水池、吊柜、冰箱作为固定障碍物,将门和窗的失效压力分别设为0.015和7.3×10-3MPa,同时考虑到厨房墙壁可能会受到损坏,将厨房窗户所在墙与门对面的墙设为砖墙,其他墙面为钢筋混凝土墙,如图4。按照徐志胜[17]的结论,将砖墙的失效压力爆炸发生后,在点火位置下方地板上取121个点作为测点,如图5。选取其中10个点,比较得到各点的燃气荷载时程曲线(超压时程曲线),如图6。因剩下的111个测点与这10个点的超压变化情况相同,对剩余的测点不做描述。为得到燃气爆炸作用下碳纤维复合加固板的抗爆性能,将得到的121个测点上的燃气荷载时程曲线(超压时程曲线)导入LS-DYNA中建立的普通钢筋混凝土板和碳纤维复合加固板模型,获得不同板在燃气荷载作用下的相关数据。

表2 厨房及家具尺寸Tab.2 Kitchen and furniture dimensions

图4 厨房模型Fig.4 Kitchen model

图5 厨房内测点图Fig.5 Measuring points in the kitchen

图6 板上10个点燃气荷载时程曲线(超压时程曲线)Fig.6 Overpressure time history curve of 10 points on the plate

Pv1设为0.1MPa,钢筋混凝土墙的失效压力Pv2设为0.2MPa。厨房内甲烷混合气体中甲烷浓度为9.5%,点火位置为厨房中心。

2 数值分析模型

2.1 建立模型

依照GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》[18]建立普通钢筋混凝土板模型,普通钢筋混凝土板的长、宽和高分别为1500、1500和120mm。混凝土采用C30,四边固支,网格尺寸为20mm×20mm×20mm。钢筋采用HRB335,单层双向配置,直径为8mm,间距为150mm,普通钢筋混凝土板数值模型,如图7。

图7 普通钢筋混凝土板有限元模型Fig.7 Finite element model of ordinary reinforced concrete slabs

在普通钢筋混凝土板上均匀粘贴碳纤维布、井字型内嵌碳纤维筋构成碳纤维复合加固板模型。碳纤维布均匀粘贴在板底,网格尺寸为20mm×20mm×20mm,长度为1500mm,宽为100mm,厚度为0.169mm,总面积为1.5×106mm2。碳纤维筋呈井字形内嵌在板底,直径为8mm,长度为1500mm。碳纤维布和碳纤维筋复合加固方式,如图8。

图8 碳纤维复合加固方式Fig.8 Carbon fiber composite reinforcement method

钢筋与混凝土之间、碳纤维筋与混凝土之间使用关键字CONSTRAINED＿LAGRANGE＿IN＿SOLID进行耦合。碳纤维布与混凝土之间不考虑材料的滑移、剥落,两者之间采用共节点的方式进行相连。

2.2 模型材料

混凝土材料模型为HJC(Holmquist-Johnson-Cook)本构模型,材料参数,见表3。钢筋的材料模型为MAT＿PLASTIC＿KINEMATIC(Mat-003),该模型考虑钢筋的失效,设置失效应变FS来模拟钢筋的破坏。钢筋选用HRB335,材料参数,见表4。碳纤维筋采用线弹性MAT＿ELASTIC(Mat-001)材料模型,同时添加MAT-ADD-EROSION模拟碳纤维筋的极限抗拉强度失效准则,具体材料参数,见表5。碳纤维布的材料采用带有3种不同失效准则的正交各向异性复合材料模型MAT＿ENHANCED＿COMPOSITE＿DAMAGE(054),以T700型号碳纤维复合材料为例,具体参数,见表6。

表3 混凝土材料参数Tab.3 Material parame of concrete

表4 钢筋材料参数Tab.4 Material parameters of reinforcement

表5 碳纤维筋材料参数Tab.5 Material parameters of carbon fiber (CFRP) bars

表6 碳纤维布材料参数Tab.6 Material parameters of carbon fiber cloth

2.3 数值模型验证

为验证碳纤维复合加固板模型的可靠性,采用分离式建模方法,根据表5中的材料参数对郭樟根[8-9]进行的化爆作用下碳纤维布加固钢筋混凝土板试验中的SB1工况(板的外形尺寸为1500mm×1500mm×150mm,在板底均匀粘贴碳纤维布进行加固。混凝土强度为C30,钢筋为直径12mm的HRB335钢筋,配筋率为0.6%)进行模拟,确认相关材料参数的正确性。郭樟根[8-9]在试验中测得SB1工况在不同炸药量下(400和600g)碳纤维布加固钢筋混凝土板跨中位移与试验所得到的位移对比,见表7。由表7可知,数值模拟的结果与试验结果基本吻合,说明所建立的数值模型与参数设定正确。

表7 试验与模拟板的跨中位移对比表Tab.7 Comparison table of mid-span displacement between test and simulation plates

3 行为响应

将1.2节得到的燃气荷载时程曲线(超压时程曲线)加载于碳纤维复合加固板上,对燃气荷载作用后的碳纤维复合加固板的动力响应进行分析。

3.1 计算结果分析

普通钢筋混凝土板等效应力云图,如图9。碳纤维复合加固板等效应力云图,如图10。

图9 普通钢筋混凝土板等效应力云图Fig.9 Equivalent stress cloud map of ordinary reinforced concrete slab

图10 碳纤维复合加固板等效应力云图Fig.10 Equivalent stress cloud map of carbon fiber composite reinforced concrete slab

从图9、10中可以看出,在燃气荷载作用初期,普通钢筋混凝土板和碳纤维复合加固板的应力分布相似,2种板四边支座的等效应力较大,板中间的等效应力较小。随着荷载持续作用,普通钢筋混凝土板和碳纤维复合加固板破坏状态逐渐转变为弯剪破坏,2种板的板顶混凝土主要为受压,而板底为受拉。2种板底部混凝土在t=289ms时出现破坏,混凝土出现裂缝,呈受弯破坏形态。此时普通钢筋混凝土板上的裂缝要多于碳纤维复合加固板。随着时间推移,2种板的中心裂缝逐渐变大,普通钢筋混凝土板中心逐渐出现穿透裂缝,而碳纤维复合加固板没有出现贯穿裂缝。但2种板的中心裂缝均向四边扩展,在板底均形成了几条由板中心指向四角的斜裂缝,裂缝呈现一种对称的分布方式,2种板整体为中心以受弯为主,板四边固支区域为弯剪综合作用的破坏形态。但是碳纤维复合加固板在板底出现的裂缝数量要少于普通钢筋混凝土板,同时碳纤维复合加固板也没有出现贯穿裂缝,裂缝数量较少说明使用碳纤维布和碳纤维筋加固后的复合加固板的抗爆性能提升。

碳纤维复合加固板上碳纤维布的等效应力,如图11。在燃气荷载作用初期等效应力主要集中在碳纤维布的中心位置,并由中心向四周传递。碳纤维布主要承受拉应力,由于碳纤维布的抗拉力性能较高没有被拉断,一直处于弹性阶段。内嵌的碳纤维筋轴向应力最大时的轴向应力,如图12。由图12可知,碳纤维筋中间明显向下弯曲,中间应力最大,最大应力为1205.49MPa,没有达到碳纤维筋断裂的极限抗拉强度,应力由中心向两边逐渐减小,碳纤维筋主要受拉。

图11 碳纤维布等效应力云图Fig.11 Equivalent stress cloud map of carbon fiber cloth

图12 内嵌碳纤维筋轴向应力云图Fig.12 Axial stress cloud map of embedded carbon fiber bars

普通钢筋混凝土板和碳纤维复合加固板的位移时程曲线,如图13。普通钢筋混凝土板的最大位移为123.08mm,当达到最大位移后测点处的混凝土发生剥落,所以仅取该点混凝土剥落时的最大位移。碳纤维复合加固板的最大位移为43.98mm,位移峰值降低了63.08%,加固效果较为明显,主要原因是加固板底面粘贴的碳纤维布和内嵌的碳纤维筋对板底的裂缝进行了限制,遏制了碳纤维复合加固板的破坏,增强了碳纤维复合加固板的整体性,提高了碳纤维复合加固板的抗弯刚度。

图13 2种混凝土板的位移时程曲线Fig.13 Displacement time history curve of concrete slab

3.2 不同碳纤维复合加固方式

碳纤维布粘贴在板底的方式为中心粘贴、田字粘贴和均匀粘贴,内嵌在板底的碳纤维筋为井字形和川字型,将3种碳纤维布粘贴方式和2种不同的碳纤维筋内嵌方式组合在一起,可以得到6种碳纤维复合加固板的方法,如图14。

图14 不同碳纤维复合加固方式Fig.14 Carbon fiber composite reinforcement methods

6种不同碳纤维复合加固板位移时程曲线,如图15。由图15可知,Z-CZ-JG型加固方式在板底所测得的位移峰值最小,位移峰值为36.38mm,J-JZ-JG型加固板的位移最大,为43.98mm,两者相比,Z-CZ-JG型加固板位移相比于J-JZ-JG型加固板减小了17.28%。由图16可以看出,J-JZ-JG型加固板上碳纤维布的单元应力最大,为835.69MPa,Z-CZ-JG型加固板上碳纤维布的单元应力最小,为488.78MPa。综上,Z-CZ-JG型可以提高加固板的整体性,降低加固板的整体应力水平,对板上裂缝的扩展起到一定的遏制作用,所以,Z-CZ-JG型加固方式的加固效果最好。

图15 碳纤维复合加固板位移时程曲线Fig.15 Displacement time history curve of carbon fiber composite reinforced plate

(a)整体图 (b)局部放大图图16 碳纤维布上相同位置最大主应力时程曲线Fig.16 Time history curve of maximum principal stress at the same position on carbon fiber cloth

3.3 碳纤维布粘贴层数

在确定了加固方式为Z-CZ-JG型加固方式的情况下,不改变其他参数,考虑粘贴碳纤维层数对碳纤维复合加固板抗爆效果的影响,如图17。由图17可知,当粘贴层数由1层增加到5层时,加固板的最大位移为36.38、28.69、25.01、21.49、18.39mm。每增加1层碳纤维布,前一层与后一层的位移差值分别为7.69、3.68、3.52、3.1mm,当碳纤维布层数在2层以上时,位移下降幅度越来越来小。考虑到安全性与经济型,粘贴层数为2层时较好。

(a)整体图 (b)局部放大图图17 不同粘贴碳纤维层数时位移时程曲线Fig.17 Displacement time-history curve with different number of carbon fiber layers pasted

3.4 碳纤维筋间距

在确定加固方式为Z-CZ-JG型加固方式的情况下,不改变其他参数,考虑碳纤维筋间距对碳纤维复合加固板抗爆效果的影响。只改变碳纤维筋间距,分别取@120、@160、@200、@240mm,碳纤维复合加固板最大位移,见表8。

表8 不同碳纤维筋间距板最大位移Tab.8 Maximum displacement of plates with different spacing of carbon fiber bars

由表8可知,在改变碳纤维筋间距,配筋率不变,减小碳纤维筋间距,板的峰值位移减小。随着碳纤维筋间距的减小,峰值位移由37.70mm减小到36.02mm,位移减小4.66%。说明在配筋率不变时,仅改变碳纤维筋的间距对提高碳纤维复合加固板的抗爆效果不明显。

4 结论

(1)对比普通钢筋混凝土板和碳纤维复合加固板在燃气荷载下的抗爆性能,发现碳纤维材料主要是在荷载作用后期发挥作用,碳纤维能够遏制钢筋混凝土板上裂缝的扩展,提高碳纤维复合加固板的整体性,提高碳纤维复合加固板的抗弯刚度。

(2)不同的加固方式对加固板的加固效果有一定影响,在6种不同碳纤维复合加固方式中,Z-CZ-JG型(即碳纤维布中间粘贴、川字型内嵌碳纤维筋加固板)加固方式在燃气荷载作用下的抗爆性能最好。

(3)采用Z-CZ-JG型加固方式,其他条件不变的情况下,随着碳纤维布层数的增加,加固板的抗爆性能得到提高,但当碳纤维布层数在2层以上时,位移下降幅度越来越小。考虑到安全性与经济型,粘贴层数为2层时较好;减小碳纤维筋间距,配筋率不变时,改变碳纤维筋的间距可以提高加固板的抗爆性能,但是提高效果不明显。