考虑粘结滑移的RC柱抗爆性能影响因素分析

张世雄

钢筋和混凝土作为构成混凝土结构的最重要的两种材料,它们之间粘结滑移无疑是影响结构抗爆性能的因素之一。已有的数值模拟绝大多数都假定钢筋和混凝土之间完全粘结,不会发生滑移现象。这一假定使结构刚度增大,与实际不符。

1 钢筋与混凝土之间粘结滑移的模拟

钢筋与混凝土之间粘结滑移的数值模拟可近似分为:1)定义接触;2)在钢筋与混凝土之间插入没有物理厚度的粘结滑移单元。文中采用LS-DYNA中的一维滑移线来定义钢筋与混凝土之间的接触,从而近似模拟钢筋与混凝土之间的粘结滑移。一维滑移线用关键字*CONTACT_1D来定义,其中把附着在钢筋单元上的一系列在同一直线上的节点称为从节点,在同一位置但附着在混凝土单元上的一系列在同一直线上的节点称为主节点,把这一直线称为主线,从节点被迫沿着主线滑动。在从节点和相对应的主节点之间插入虚拟的弹簧,粘结力由弹簧提供,见图1。

当钢筋与混凝土在发生相对滑移且损伤累积不考虑时,可假定混凝土与钢筋之间的粘结滑移是理想弹塑性的;但当损伤累积考虑在内时,可假定在弹性区域,粘结力与弹性滑移量成正比关系;在塑性区域,随着塑性滑移量的增加,粘结力呈指数衰减,见图2。

粘结剪切应力与滑移之间的关系可以用下式表示:

其中,GS为粘结剪切模量;Smax为最大弹性滑移量;hdmg为曲线损伤参数;D为塑性位移的绝对值。

2 计算模型

爆炸荷载参数见表1。混凝土采用H-J-C模型,考虑了应变率的影响,RC柱轴心抗压强度采用42 MPa。钢筋采用*Mat_Plastic_Kinematic材料模型,纵筋采用 HRB335,直径为20 mm,箍筋采用HPB235,直径为8 mm。柱参数见表 2。

表1 爆炸荷载参数表

表2 RC柱参数表

假设RC柱纵筋圆心到混凝土柱表面的距离为40 mm,为了更合理地分析RC柱的钢筋周围的动力响应,钢筋周围的网格划分相对较密,在RC柱截面四个角部采用20 mm×20 mm的网格,柱截面中部网格相对较粗,网格大小为30 mm×30 mm,其他采用20 mm×30 mm的网格,高度方向上网格长度为50 mm。

3 计算分析

3.1 爆炸荷载作用下箍筋间距的影响分析

柱截面尺寸、混凝土及钢筋强度不变,取不同箍筋配筋率如表3所示。

表3 混凝土柱模型分类表

柱两端的箍筋对RC柱抗爆性能有较大影响,柱端箍筋间距缩小,可以有效提高RC柱的抗爆性能;柱中部箍筋对RC柱抗爆性能影响相对较小;箍筋间距的缩小可以减小柱中最大水平位移。

3.2 爆炸荷载作用下纵筋配筋率的影响分析

其余参数均不变,取不同纵筋配筋率,如表4所示。

表4 混凝土柱模型分类表

纵筋配筋率的提高对RC柱的抗爆性能有较大影响,随着纵筋配筋率的提高,柱中水平位移明显减小,这也就意味着RC柱抗爆性能显著提高。

3.3 爆炸荷载作用下轴压比的影响分析

其余参数均不变,取不同轴压比,如表5所示。

表5 混凝土柱模型分类表

轴压比对RC柱的抗爆性能有很大的影响。当柱承受轴力较小时,相当于给了混凝土构件一个预压力,可以有效提高混凝土受拉区单元的抗拉应力,当RC柱发生弯曲破坏时,一般为混凝土受拉区被拉坏,因此施加较小轴力可以适当提高混凝土的抗破坏性能;而当轴压比较大,随着轴力的增大,跨中混凝土受压区单元承载了过高的轴向压应力,而当爆炸荷载施加时,由于构件的弯曲变形,其跨中受压区混凝土单元压应力进一步增大,有可能先于受拉区混凝土单元达到破坏,柱中受压区混凝土压碎而破坏;当轴压比继续增大时,混凝土由于其应力接近极限值,在外力爆炸荷载作用下,RC柱跨中大部分区域均发生受压区混凝土破坏。

3.4 爆炸荷载作用下爆炸距离的影响分析

爆炸荷载作用下爆炸距离的影响分析见图3。

由此可见,对于爆炸荷载,随着爆炸距离的增加,柱中最大水平位移明显减小,这也就意味着柱受到的损伤明显减小,且这种减小不是线性的,而是指数衰减的,爆炸距离相对较小时,距离的变化引起的衰减较快,而当爆炸距离达到一定数值后,RC柱柱中最大水平位移值很小,衰减自然就慢。

3.5 爆炸荷载作用下TNT当量的影响分析

爆炸荷载作用下TNT当量的影响分析见图4。

由此可见,TNT当量的大小对RC柱受到破坏程度有很大影响。TNT当量越大,结构受到破坏也越严重,而且在图4中还可以看到随着TNT当量增加,柱中最大水平位移有增速的倾向。

4 结语

1)柱端箍筋间距减小,可以明显提高RC柱的抗爆性能;柱中部箍筋对RC柱抗爆性能影响较小。2)提高纵筋配筋率可以有效提高其在爆炸荷载下的抗弯性能。3)随着轴压比的增大,RC柱的抗爆性能并不是单调提高或者单调降低的。轴压比较小时,对RC柱抗爆有利,但轴压比较大时,RC柱柱中混凝土在爆炸荷载的作用下容易被压碎而发生破坏。4)炸药的TNT当量和爆炸距离对RC柱抗爆性能的影响尤为显著,TNT当量越大,爆炸距离越小,RC柱受到的破坏也越严重。

[1]LS-DYNA Version 971.Livermore Software Technology Corporation,2006.

[2]过镇海,时旭东.钢筋混凝土原理和分析[M].北京:清华大学出版社,2003.

[3]TM 5-1300,The Design of Structures to Resist the Effects of Accidental Explosions.Technical Manual,US Department of the Army,Navy,and Air Force,Washington D C,1990.