爆炸荷载作用下RC结构连续倒塌研究进展

饶 彬

(陆军工程大学爆炸冲击防灾减灾国家重点实验室，江苏 南京 210007)

爆炸常常造成RC结构的严重破坏甚至部分或整体倒塌，带来严重的人员伤亡和经济损失。所谓连续倒塌，是指突发事件引起的初始局部破坏沿构件传递，导致整个建筑结构的倒塌或不成比例很大一部分的倒塌[1]。对爆炸荷载作用下RC结构连续倒塌的研究分析方法主要有理论方法、试验方法和数值模拟方法。

1 理论研究

目前对爆炸荷载作用下RC结构连续倒塌的理论研究主要是针对梁、板、柱等承重构件以及梁柱子结构，研究其在爆炸荷载作用下的动力响应，主要研究方法有等效单自由度法和模态近似法。

1)等效单自由度法。

等效单自由度法最早是由Norris等[2]提出的，该方法将RC构件简化成一个等效单自由度体系，假定体系的全部质量集中于某一点，据此来预测体系的位移响应。Garta和Stochino[3]提出了一种在均布爆炸荷载作用下RC梁的等效单自由度模型，该模型能够考虑材料的应变率效应。Stochino[4]应用等效单自由度方法，对RC梁在爆炸荷载作用下的动力响应进行了参数敏感性分析，发现RC梁的长细比和跨度、爆炸荷载的峰值都对其动力响应有着重要影响。

2)模态近似法。

模态近似法最早是由Martin和Symonds[5]提出的，该方法通过对RC构件的变形规律进行假设，使运动微分方程得到简化，从而简便快速地求解构件的运动微分方程。Lellep和Torn[6]采用模态近似法分析了爆炸荷载作用下刚塑性梁的动力响应，并求解出了解析公式。Li等[7]运用模态近似法研究了理想弹塑性梁在爆炸荷载作用下的动力响应，并分析了梁的剪切刚度对其最大横向剪切位移的影响。

2 试验研究

现场爆炸试验能够获得第一手真实可靠的数据，其作用是不可替代的。当前的试验研究主要集中在RC构件的动力响应方面，对RC整体结构连续倒塌的试验研究主要是在缩比例模型上进行的，爆炸荷载作用下全尺寸原型建筑的倒塌试验较为稀少。

2.1 结构构件

Zhang等[8]对RC梁在近爆情况下的破坏特性进行了试验研究，并研究了不同比例爆距下RC梁的破坏形态和损伤程度。Shi等[9]对近爆情况下RC板的破坏机理进行了试验研究，研究发现增大圆柱形TNT炸药的长径比会使RC板的混凝土剥落程度加重。Zhai等[10]对受火后RC梁在爆炸荷载作用下的动力响应进行了试验研究，研究结果表明，RC梁的最大位移和残余位移随着受火时间的延长几乎呈线性增长，而且与未受火RC梁相比，受火RC梁遭到的破坏更为严重。

2.2 整体结构

Sasani和Sagiroglu[11]对圣地亚哥的一家宾馆进行了实体爆炸试验，采用爆破的方式移除相邻两个框架柱，试验中建筑物没有发生连续倒塌，失效柱上方的重力荷载通过荷载重分布传向其他承重构件，双向空腹作用在荷载重分布的过程中发挥了主要作用。Baylot和Bevins等[12]研究了1∶4的RC框架中非结构性外墙对爆炸荷载的影响。试验结果表明，爆炸产生的空气冲击波与外墙的相互作用能够明显增加作用在炸药正对结构柱上的冲量。高超等[13]对一个3层RC框架进行了连续倒塌试验，研究了炸药安放位置、炸药离建筑的距离和炸药装药量等因素对RC框架倒塌模式的影响。

2.3 拟静力加载法

Izzuddin等[14]提出可以与移柱法结合使用的拟静力加载法，该方法假设所有重力荷载做的功等于结构所吸收的应变能，试验时重力荷载通过电液伺服作动器施加在失效柱的上部柱顶，失效柱则用机械千斤顶代替，试验过程中千斤顶逐级卸载。

3 数值模拟

随着计算机技术的进步，越来越多的研究人员采用数值模拟方法来分析研究爆炸荷载作用下RC结构的连续倒塌过程，常采用的数值分析方法有离散单元法和有限元法。

1)离散单元法。

离散单元法的求解过程属于显式求解，该方法将结构简化成一个个用弹簧连接起来的刚体，单元节点可以分离。目前用得较多的离散单元分析软件有EDEM，PFC2D等。Pekau和Cui[15]用离散单元法研究了预制墙板剪力墙的连续倒塌过程，研究结果表明，只要预制墙板剪力墙的设计满足抗震要求，它就能满足结构抗连续倒塌对垂直连接接头的剪切延性要求和对水平连接接头的剪切滑移要求。Valipour和Foster[16]用一维离散单元分析了RC框架的悬索作用，并用试验和数值模拟验证了离散单元分析得出公式的正确性。张富文和吕西林[17]开发了能够模拟RC结构倒塌过程的离散单元仿真程序CSPF1.0，并用实例证明了该程序的可靠性和离散单元法在结构连续倒塌分析中的可行性。

2)有限元法。

有限元法在连续倒塌分析中应用的最为普遍，常用的商业有限元分析软件有ANSYS，ABAQUS，LS-DYNA等，这些软件都具有强大的非线性分析功能，而且用户还能根据自己的需要在这些软件平台上进行二次开发。

根据建模方法的不同，有限元法可划分为精细有限元法、简化有限元法和混合有限元法。精细化建模方式计算准确，但是很难应用于大型建筑物倒塌的分析；简化建模方式适用于大型建筑物的倒塌分析，但是对力学行为复杂区域的模拟又不够准确；混合建模方式则能够综合前两种方法的优点。

根据是否考虑爆炸荷载与RC结构的相互作用，有限元法可分为直接模拟法和替代传力路径法。根据是否考虑材料的几何非线性和结构的动力因素，替代传力路径法又可进一步细分为线性静力分析、非线性静力分析、线性动力分析以及非线性动力分析[18]。

Pham等[19]利用LS-DYNA建立了中柱失效情况下的两跨RC梁柱子结构模型，并用该模型研究了边界刚度、阻尼比、炸药装药量等参数对结构抗连续倒塌性能的影响。研究结果表明，梁底部的纵向钢筋断裂之后，子结构的悬链线效应能够阻止其发生连续倒塌。Xiao和Wang[20]采用不同的建模方式建立了一个8层的RC框架模型，研究框架在不同条件下的倒塌过程，发现在框架倒塌过程中梁最先发生破坏，而倒塌的主要原因是总应变能的积累。师燕超等[21]利用在LS-DYNA建立的RC框架模型，研究了爆炸荷载对结构造成的初始损伤和初始条件对其连续倒塌过程的影响，并在传统替代传力路径法的基础上提出了改进的方法。

4 结语与展望

爆炸荷载作用下RC结构连续倒塌的各种研究方法都各有优势，但也都有不足。理论研究方法目前还停留在对梁、板、柱等RC构件的分析上，对RC整体结构的理论分析还处于停滞状态。在对单个构件进行分析时，如何考虑钢筋和混凝土的相互作用，考虑结构的动力因素和材料的几何非线性；在对RC整体结构的连续倒塌进行分析时，如何找到合理的简化方法来准确预测其连续倒塌过程，是理论分析方法的发展方向。

现场爆炸试验费用高昂、安全性差、不可知因素多、对试验设备和场地要求较高，如何找到类似于拟静力加载法的新的试验方法，使试验过程更加安全可靠，试验成本更加低廉，同时又能够考虑爆炸荷载对结构的初始影响，是试验方法要解决的问题。

数值模拟方法比理论分析方法更加精确可靠，同时也比试验方法更为方便和低廉，将广泛应用于爆炸荷载作用下RC结构的连续倒塌分析中。但是直接模拟法不适合工程应用，替代传力路径法又无法考虑爆炸荷载对结构初始破坏的影响；同时，精细化有限元建模计算成本高，简化有限元建模又不够精确。因此在替代传力路径法的基础上，考虑爆炸荷载对结构的初始破坏，是数值模拟研究的重要课题。此外，找到合理的建模方式，或者开发新的单元类型，使计算成本更低，同时又能够保证足够的计算精度，也是数值模拟方法的发展趋势。