爆炸荷载作用下钢筋混凝土柱的动力响应及抗爆加固研究

2024-04-27李鹏飞田超赵耀辉强霖

重庆建筑 2024年4期

李鹏飞，田超，赵耀辉，强霖

（1 淄博市建筑设计研究院有限公司，山东淄博 255000；2 淄博市鲁中勘察设计审查咨询中心，山东淄博 255000；3 山东省物化探勘察院，山东济南 250013）

0 引言

随着工业化的发展，化工类厂房的功能需求呈现多样化，对结构抗爆设防提出了更高的要求。化工厂爆炸事件在世界范围常有发生，爆炸产生冲击波有作用力大、持续时间短、对建筑破坏大的特点。工业厂区内发生爆炸主要会造成以下危害：爆炸致使竖向承重构件破坏从而导致建筑物整体坍塌；冲击波伴随破碎玻璃、破碎砌块的现象，对一定范围内的人员造成伤害；因爆炸而导致的伴随性火灾则会导致人员大量伤亡[1]。为承受爆炸冲击荷载以及解决结构承载力下降问题，大量研究人员采用碳纤维布加固的方式[2-4]。

淄博某石化工业园内某石化企业因生产工艺要求，厂房内的局部混凝土柱需验算爆炸冲击荷载作用，并对不满足设计要求的混凝土柱进行加固。工业园厂区鸟瞰图详见图1、需加固柱区域见图2 阴影区。本文依托实际项目，截取受冲击荷载作用的混凝土柱独立建模，柱位置详见图2 中A 柱，模型输入几何参数、材料参数、边界受力、边界条件等。通过有限元软件建模钢筋混凝土柱不同碳纤维布加固模式（封闭缠绕粘贴、侧面粘贴），分析柱受冲击荷载作用下的应力、应变，并分析混凝土柱的破坏模式，为该项目混凝土柱加固设计提供一定的数据支持。

图1 厂房效果鸟瞰图

图2 加固柱区域详图

1 模型的建立

构件建模使用有限元软件ANSYS，截取受冲击荷载作用的混凝土柱，根据实际受力情况建立模型，构件尺寸为600 mm×600 mm×4500 mm，纵筋为12Φ25，箍筋为Φ10@100/200。混凝土柱为8 节点的三维实体单元，钢筋采用梁单元。钢筋、混凝土柱不考虑界面滑移，两种材料的连接使用共用节点，并对模型进行合理的网格划分，采用映射方式划分网格以确保计算精确，网格尺寸为20 mm。钢筋和混凝土的材料参数如表1、表2 所示，有限元模型建立及网格划分如图3 所示。

表1 钢筋的材料参数

表2 混凝土的材料参数

图3 有限元模型

独立柱模型截面规整，独立柱模型定义为两端固接。根据结构计算软件PKPM（V1.3）读取该柱所受初始力标准值，将其输入至独立柱有限元模型。进而在模型中增加爆炸产生的冲击荷载，冲击荷载实现方式为定义时间—荷载函数曲线，并作用于组元。影响构件应力应变的关键变量为爆炸荷载峰值，其余因素可忽略[5]。爆炸产生的冲击荷载曲线详见图4，曲线峰值为15.0 MPa，达峰用时0.008 s，荷载持续时长1s。为避免构件产生应力集中，构件两侧增设刚体，以减少分析时长[6]。

图4 柱侧面的爆炸荷载曲线

2 数值模拟的结果及分析

取应力、应变较明显的爆面中点为研究对象，该点位移时程曲线见图5。通过分析时程曲线可知，当构件受冲击荷载作用时，冲击作用在0.008 s 时达峰，但位移未达峰。位移达峰存在滞后现象，在0.14 s 时位移达峰，此时对应位移最大值为10.26 mm。产生该现象的原因是构件存在一定的弹性性能，当冲击作用消散后，构件存在变形回复现象，最终构件的塑性残余变形约7.79 mm。速度时程曲线见图6。分析速度—时程曲线可知，构件于0.080 1 s 达峰，峰值速度为28.9 m/s，达峰后迅速回落至0 m/s，并在相当长的持续时间内构件存在微小振动现象。

图5 柱中结点位移时程曲线

图6 Z 方向的速度—时程曲线

构件应力、应变云图分别见图7、图8。为使构件变形较为明显地展示，将图中构件变形放大10 倍。分析0.002 s 与0.013 s构件应变云图可知，当构件受初始冲击作用时，构件应力值较大且集中于两端，该时段构件以剪切变形为主。随着冲击波持续作用，构件进入弯曲变形阶段，该时段构件中部位移持续增大，截面受拉区域面积不断增大，直至0.013 s 时，构件中部的位移达到最大值。

图7 0.002s 与0.013s 构件应变云图

图8 0.002s 与0.013s 构件对比应力云图

进而选取受拉区纵筋为研究对象，纵筋轴向应力时程曲线见图9，分析纵筋轴向应力- 时程曲线可知，在爆炸冲击作用下，0.13 s 时钢筋应力达到屈服承载力400 MPa，之后随着冲击波的持续减小，钢筋应力快速消散。

图9 纵筋轴向应力时程曲线

3 对构件碳纤维布加固后的动力响应分析

3.1 加固方式

构件抗爆加固设计采用的方式是粘贴碳纤维布，利用专用粘结剂将碳纤维布粘贴至构件表面，并满足规范中相关规定，从而起到提高构件承载力的作用。该项目抗爆加固设计拟采用全截面围贴、对面粘贴的方式，拟采用的构件加固方案如图10 所示。爆炸冲击与加固作用面的空间关系如图11 所示。加固材料性能参数如表3 所示。

表3 CFS 的材料性能参数

图10 碳纤维布的粘贴方式

图11 爆炸冲击与加固作用面的空间关系

3.2 构件加固后数值模拟的结果及分析

该项目抗爆加固设计拟采用全截面围贴、对面粘贴对钢筋混凝土柱加固，对柱子加固前和加固后的效果进行对比。取爆炸荷载峰值为5 MPa、10 MPa、15 MPa，分析碳纤维布全截面围贴加固、对面粘贴加固下混凝土柱的应力、应变曲线。

分析数据可知，若施加爆炸荷载峰值为5 MPa 时，采用全截面围贴、对面粘贴方式加固的钢筋混凝土柱位移较小，未产生明显的应变，其应力、应变较大部位主要集中于柱底。

若施加爆炸荷载峰值为10 MPa 时，采用全截面围贴、对面粘贴方式加固的钢筋混凝土柱位移有较明显变化。荷载达峰时，全截面围贴加固的混凝土柱位移为2.895 mm，碳纤维布最大应力为1 063 MPa；对面粘贴加固的混凝土柱位移为4.793 mm，碳纤维布最大应力为2 053 MPa。由上述分析可知，对面粘贴方式加固的钢筋混凝土柱较全截面围贴加固的钢筋混凝土柱，位移增大了38.7%，碳纤维布应力增大了51.5%。全截面围贴加固可以有效减少构件应变，碳纤维布并未充分发挥其作用。

若施加爆炸荷载峰值为15 MPa 时，采用全截面围贴、对面粘贴方式加固的钢筋混凝土柱位移有明显变化。荷载达峰时，全截面围贴加固的混凝土柱位移为5.612 mm，碳纤维布最大应力为2 763 MPa；对面粘贴加固的混凝土柱位移为8.632 mm，碳纤维布最大应力为3 769 MPa。由上述分析可知，对面粘贴方式加固的钢筋混凝土柱较全截面围贴加固的钢筋混凝土柱，位移增大了15.4%，碳纤维布应力增大了36.4%。碳纤维布并未充分发挥其作用，整个构件破坏现象较为严重。

采用全截面围贴方式加固的钢筋混凝土柱，柱子在全包碳纤维时，爆炸峰值荷载从10 MPa 增加到15 MPa，此时位移增大了2.717 mm，增大幅度为93.8%，而应力增加了1 700 MPa，增大了2.6 倍。采用对面粘贴方式加固的钢筋混凝土柱，爆炸峰值荷载从10 MPa 增加到15 MPa，位移增大了3.842 mm，增大幅度为80.2%，同时应力增大了1 716 MPa，增大幅度为83.3%。

当爆炸荷载峰值为15 MPa 时，采用对面粘贴方式加固的钢筋混凝土柱碳纤维布已经达到极限承载力，应变增幅较大，产生破坏现象较为严重。而采用全截面围贴方式加固的钢筋混凝土柱尚未达到应力极限。对面粘贴方式加固的钢筋混凝土柱整体破坏现象更明显。