钢筋对钢-混结构柱抗暴性能的影响

李北杰，常春伟

(1.军事交通学院 研究生管理大队，天津 300161； 2.军事交通学院 国防交通系，天津 300161)



● 基础科学与技术Basic Science & Technology

钢筋对钢-混结构柱抗暴性能的影响

李北杰1，常春伟2

(1.军事交通学院 研究生管理大队，天津 300161； 2.军事交通学院 国防交通系，天津 300161)

通过探究钢混结构爆炸毁伤机理，为编制交通重点目标抢修方案提供理论支持，为交通基本建设贯彻国防要求提供技术支撑。通过对CONWEP实现爆炸(冲击)荷载对钢筋混凝土柱的毁伤分析，对比不同纵筋配筋率下钢筋混凝土柱及素混凝土柱在爆炸荷载下的动力响应和破坏特点，分析纵筋配筋率对钢筋混凝土柱抗爆性能的影响。结果表明，钢筋能改善混凝土建(构)筑物的抗爆性能，但提升纵筋配筋率则影响有限。

钢筋混凝土柱；抗爆性；纵筋配筋率

近年来，各类爆炸事故频频发生，造成了重大的人员伤亡和财产损失，引发人们对建筑物在爆炸冲击作用下安全性能的关注，尤其是建筑物抗爆性方面。抗爆性是指建筑物抵抗爆炸冲击荷载作用的能力，是衡量建筑物抗爆安全性的重要指标。利用有限元分析方法，国内外对钢筋混凝土构件在爆炸荷载作用下的动力响应进行了大量研究，并应用于建筑物的抗爆性评估和建筑物的爆破拆除方面，但对于交通基础设施抗暴毁伤的研究则相对匮乏。同时，基于美军的“五环“打击，交通设施处于打击的第三环，交通建筑物的抗爆能力研究，也是战争破坏需重点关注的研究领域。

钢筋是钢筋混凝土构件中的重要部分之一，在爆炸冲击作用下动力响应形式较为复杂，对其展开研究，能为交通基础设施的抗爆毁伤仿真研究探索方法。柱是工程设施中常见的构件形式，有结构柱和构造柱之分。本文选取形式较为简单的钢-混结构柱作为研究对象，该结构为竖向受力构件，将承受的竖向荷载传递到基础。运用有限元的方法，就钢-混结构柱在非接触情况下的爆炸过程予以三维数值模拟，采用CONWEP[1]实现爆炸荷载的加载，分析钢筋对柱形构件毁伤机理和破坏特征产生的影响。

1　理论基础

1.1爆炸理论

(1)空中爆炸[2]。爆源位于远离结构的自由空气中，产生的冲击波传播较远距离才作用到结构上，称为自由空气爆炸。冲击波传到地面会发生反射，反射波同入射波汇合会使爆炸冲击波增强，由于自由空气爆炸中爆源离地面较远，作用于结构之前，爆炸波尚未传播到地面上，爆炸冲击波不会因为地面的反射而增强。本文模拟采用的荷载加载方式即为空爆方式。

(2)爆炸相似理论。爆炸冲击波的基本参数，可通过相似定律推导，文中采用的爆炸荷载曲线的推导即由此获得，具体参数计算公式如下[3]。

1.2混凝土损伤模型

混凝土属于复合材料，物理性质复杂，为准确描述其力学特性，在基于理论分析和试验研究的基础上，提出了粘弹性模型、粘塑性模型、滞后模型和塑性损伤模型等一系列的混凝土模型。本文采用的混凝土模型(即MAT_72R3)属于塑形损伤模型[4]。

MAT_72R3模型充分考虑了混凝土材料的弹性断裂能、应变率效应、约束效应等特性，以最大失效面、残余失效面和屈服失效面3个强度破坏面描述混凝土材料的塑性性能。

最大失效面(Maximum Failure Surface)：

残余失效面(Residual Failure Surface)：

屈服失效面(Yield Failure Surface)：

式中：p为压力；a0、a1、a2、a1f、a2f、a0y、a1y、a2y为材料常数，由单轴抗压试验和三轴受压试验确定。

2　模型建立

2.1基础模型

模型中混凝土采用solid164单元，以映射方式划分为Lagrange网格，钢筋采用beam161单元，通过赋予实常数的方式实现尺寸设定，混凝土和钢筋间采用共节点设置，单位制为cm-g-s。考虑模型对称的特点，取模型的1/4建模，分别以平面X=0和Y=0为对称面，施加对称约束。为防止网格大变形导致计算精度下降、计算步长变小等问题，加入*MAT_ADD_EROSION自动删除失效混凝土单元，这里选用MXEPS模式，取值为0.001[5]。

柱几何尺寸为60 cm×60 cm×360 cm，布筋形式为8根纵筋位于柱的四周，纵筋直径为2.5 cm，箍筋直径为1 cm，间距为20 cm(如图1所示)。以等效500 gTNT距柱中心40 cm处产生的爆炸冲击波为荷载。

图1　柱模型示意

2.2对比模型

为更好地研究钢筋对钢-混结构柱的抗暴性影响，本文以纵筋配筋率为单一变量，通过调节纵筋直径实现纵筋配筋率的调整，同时为使数据更加全面，特增加素混凝土柱以模拟配筋率为0的情形(见表1)。

表1　对比模型纵筋直径与配筋率

3　数值模拟

3.1破坏过程及分析

图2、图3分别对应b-0、b-1的破坏毁伤云图。由图2可知，迎爆面的裂纹和破坏最先在垂直于爆心的柱的四周呈环状出现，逐渐向上下两端以环形扩展，在1 000 μs时基本扩展到了全柱，以柱中心上下25 cm范围的损伤较为严重。在400 μs时，迎爆面的裂纹和破坏尚未延伸到背面，背面已出现较为严重的集中破坏和损伤，这是由应力波传播到柱背面反射产生的波造成的，随后两处裂纹和破坏相合，1 000 μs时柱背面可见明显开裂，背面裂纹范围达柱中心上下120 cm，10 000 μs时未见柱弯曲而背面开裂现象更严重且伴有抛散，柱呈现剪切破坏。

图2　b-0的破坏毁伤云图

图3　b-1的破坏毁伤云图

由图3可知，迎爆面毁伤形式同b-0类似，但可见在箍筋处有较为明显的毁伤断层，迎爆面以柱中心上下20 cm范围的损伤较为严重，损伤扩展较慢，表明箍筋可影响损伤的扩展与分布。从侧面可知，1 000 μs时柱出现轻微弯曲，10 000 μs时弯曲现象明显，背面混凝土有开裂和抛散，柱呈现弯曲破坏，背面损伤范围上下80 cm。

综合对比b-0、b-1的毁伤效果，两者的背面损伤范围均大于正面，接近于4，说明柱的背面拉伸破坏程度大于正面的压缩破坏，而b-1的正面损伤范围较b-0减小20%，背面减小33.3%，表明钢筋可以改善柱的抗毁能力，钢筋混凝土柱的抗爆性能强于素混凝土柱。

3.2纵筋配筋率的影响

钢筋对钢-混结构柱的抗爆性影响研究，从抗爆弯、剪性能影响和抗毁伤能力两个方面进行。其中抗爆弯、剪性能以迎爆面柱中心点的位移进行参考，在相同爆炸冲击荷载作用下，钢-混凝结构柱的抗爆弯、剪能力愈强，则位移愈小；而抗毁伤能力则以柱背面的损伤范围(即裂纹距中心的最远端)和柱背部集中损伤的面积大小为标准予以考量，爆炸冲击荷载对钢-混凝结构柱造成的伤害愈大，则损伤面积愈大。

(1)抗爆弯、剪性能的影响。不同纵筋配筋率下的钢-混结构柱在相同爆炸荷载作用下迎爆面柱中点的最大位移见表2。

表2　不同纵筋配筋率下迎爆面柱中点的最大位移

表2中关于b-0迎爆面柱中点的位移和有效塑性应变的时程曲线如图4、图5所示。

图4　位移时程曲线

图5　有效塑形应变时程曲线

由图4、图5可知，b-0的迎爆面柱中心点，有效塑形应变在100 μs时快速增加，到400 μs时降为0，但在400 μs后位移仍继续增加，表明此时该处已失效。说明素混凝土柱的抗爆弯、剪能力弱，在等效500 gTNT冲击荷载下损伤严重。

与图6相应的拟合曲线函数为

y=-0.002lnx+0.0449，R2=0.968 7

式中：y为对应位移，cm；x为对应配筋率；R2为曲线拟合程度。

结合表2和图6可知，从b-1到b-4，钢-混结构柱纵筋配筋率从1%提高到4%，迎爆面柱中心点的最大位移由0.052 242 cm减小到0.050 027 cm，纵筋配筋率提高了3倍，最大位移减小了4%，表明纵筋配筋率对钢-混凝结构柱的抗爆弯、剪能力有一定影响，提高纵筋配筋率可以少量地提升其抗爆弯、剪能力。

图6　纵筋配筋率与位移的关系

(2)抗毁性能的影响。图7～图9分别对应b-2到b-4的正面和背面毁伤效果。

图7　b-2破坏毁伤云图

图8　b-3破坏毁伤云图

图9　b-4破坏毁伤云图

结合图2、图3，以及图7～图9的正面和背面毁伤效果，可获得不同配筋率情况下钢-混结构柱的损伤情况，具体情形见表3。

表3　不同配筋率柱损伤情况

由表3可知，当钢筋混凝土柱的纵筋配筋率由1%增大到4%时，柱背面损伤范围由86 cm减小到77 cm，降低10.4%，说明纵筋配筋率的提升减小柱背面损伤的范围。原因在于纵筋承担钢-混结构所受的拉应力，提升配筋率能提高钢筋混凝土柱的抗拉能力，较高的抗拉能力对裂纹的扩展起到抑制和减缓作用，使得损伤的范围得以有效降低，所以可通过提升配筋率减少损伤的范围。

柱背面中部的集中损伤区域面积仅由980.17 cm2减小到959.76 cm2，显示随着纵筋配筋率的提升，钢-混凝结构柱的背部集中损伤区域有所减小，但减小程度十分有限，仅缩小了2%，这是由于这部分的损伤由柱背面的反射拉伸波和应力波共同造成，损伤集中，破坏严重，提升纵筋配筋率对钢筋混凝土柱集中损伤区域的局部抗暴力学性质影响有限，使得随着配筋率增大损伤区域面积未显著减少。

对不同纵筋配筋率情况下钢筋混凝土柱背部集中损伤面积进行曲线拟合，拟合函数如图10所示。

图10　配筋率与损伤面积的关系

与图10相应的拟合曲线函数为

y=-14.75lnx+912.17，R2=0.999 8

式中：y为对应损伤面积，cm2；x为对应配筋率。

根据拟合曲线函数知，纵筋配筋率同柱背面集中损伤面积为对数函数，随着配筋率的提升，损伤面积减少，但减少程度较小。

4　结　论

本文基于ANSYS/LS-DYNA软件实现不同纵筋配筋率的钢-混结构柱三维数值模拟，结论可为大型钢筋混凝土建(构)筑物的抗爆性研究和交通设施建设贯彻国防要求研究提供参考和借鉴。

(1)纵筋配筋率能够影响钢-混结构柱的抗爆弯、剪能力，通过提高纵筋配筋率在一定程度上可以提升其抗爆弯、剪能力，但效果有限。

(2)纵筋配筋率对钢-混结构柱背面损伤的范围有显著影响力，提高纵筋配筋率可减小背面损伤范围；提高纵筋配筋率对背面中部集中损伤影响较小，表明纵筋配筋率对钢筋混凝土柱集中损伤区域的局部抗暴力学性质改善并不理想。

[1]Ostraich B,Sadot O,Levintant O,et al.A method for transforming a full computation of the effects of a complex-explosion scenario to a simple computation by Conwep[J].Shock Waves,2011,21(2):101-109.

[2]羊勇.爆炸荷载作用下高墩毁伤机理数值仿真研究[D].天津：军事交通学院，2015.

[3]周旭.导弹毁伤效能试验与评估[M].北京：国防工业出版社，2014：362-363.

[4]Malvar L J, Crawford J E, Wesevich J W, et al. A Plasticity Concrete Material Model for DYNA3D[J]. International Journal of Impact Engineering, 1997, 19(9/10): 847-873

[5]汪维.钢筋混凝土构件在爆炸荷载作用下的毁伤效应及评估方法研究[D].长沙：国防科学技术大学，2012.

(编辑：史海英)

Anti-knock Performance Influence of Rebar on Reinforced Concrete Column

LI Beijie1， CHANG Chunwei2

(1.Postgraduate Training Brigade, Military Transportation University, Tianjin 300161, China;2.National Defense Traffic Deparment, Military Transportation University, Tianjin 300161, China)

To provide theory basis for organizing emergency repair program and provide technical support for traffic construction implementing national defense requirements, by studying explosion damage mechanism of reinforced concrete structures, the paper analyzes the damage of explosion (impact) load on reinforced concrete column with CONWEP, compares dynamic response and damage features of reinforced concrete column with plain concrete column at different ratio of longitudinal reinforcement, and analyzes the anti-knock performance influence of longitudinal reinforcement ratio on reinforced concrete column. The result shows that rebar can improve anti-knock performance of concrete structures, but it has limited effects on improving ratio of longitudinal reinforcement.

reinforced concrete column; anti-knock performance; longitudinal reinforcement ratio

2016-03-09；

2016-04-20．

李北杰(1990—)，男，硕士研究生；

常春伟(1968—)，男，博士，教授，硕士研究生导师．

10.16807/j.cnki.12-1372/e.2016.10.021

TU528.57

A

1674-2192(2016)10- 0087- 05