钢筋混凝土框架结构抗爆性能分析研究

彭真真 古腾达

摘 要：化学品具有易燃易爆的特点，其爆炸引起的结构损伤甚至整体性倒塌屡见不鲜，因此化工建筑物的抗爆性能受到广泛关注。本文以钢筋混凝土框架为切入点，着重对钢筋混凝土框架结构的抗爆性能进行了理论研究分析。利用ABAQUS及NosaCAD有限元软件分析爆炸荷载作用下框架结构的抗倒塌作用机理，总结不同设防烈度的框架结构在不同爆炸工况下的倒塌规律。

关键词：易燃易爆；整体性倒塌；抗爆性能

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.14.100

0 前言

化工建筑物的抗爆性能是化工建筑结构的重要力学性能之一。结构遭受短时间内的爆炸作用后，在极短时间内发生较大的破坏，并且作用力度大、作用范围广，一旦发生连续性倒塌将造成经济和人身安全方面的巨大损失，因此提前做好有效应对措施很有必要。因此，对结构进行爆炸荷载作用下的抗倒塌分析具有十分重要的意义。由于爆炸冲击荷载具有传播速度快、作用时间短、峰值大以及负超压等特点，其作用下的结构倒塌比其他原因引起的倒塌在受力方式与作用机理方面更加复杂。本文将以框架结构为例，通过有限元分析研究结构在爆炸荷载作用下的抗倒塌能力，从而分析研究框架结构的抗爆性能。

1 数值分析模型

1.1 典型算例

本文以一个典型的7层非整体现浇框架结构建筑为例，对框架结构抗爆性能研究方法加以说明。本文在不同的设防烈度，进行不同区域构件拆除模拟爆炸作用，以抗倒塌验算为标准，进行结构的抗爆性能分析。

地震信息：丙类建筑，场地土类型为Ⅱ类，地震分组取第二组。震设防烈度分别取6 度（0.05g）、7 度（0.10g）和 8度（0.20g）。

材料信息、结构布置和荷载信息均设置一致（仅设防烈度参数变动）。

1.2 数值分析方法

分析步骤：

步骤1：有限元软件建模并模拟加载爆炸荷载；

步骤2：结构在此作用下保持力学平衡；

步骤3：拆除对应的有限元单元，模拟结构的爆炸荷载；

步骤4：对剩余的结构构件作爆炸荷载作用下的动力分析；

步骤5：检验能否满足规范验收标准；

步骤6：对设计做出改进、验算并得出结论。

连续倒塌判定准则：根据DOD2010的规定，在梁两端相对位移达到梁跨度的20%时，理论上认为结构已经在爆炸荷载作用下发生了连续性倒塌。

2 框架结构倒塌机制分析

本文分别从四个典型结构区域做出了爆炸荷载作用下的抗连续倒塌性能分析：顶层角柱区域、顶层纵向区域、顶层横向区域和顶层柱子内部区域。

2.1 角部区域

按6度抗震设计的框架结构顶层角柱模拟加载爆炸荷载，一旦产生初始的破坏，两个方向的框架梁均无法形成有效的延性破坏，只能通过梁端提供的弯矩作用来有效抵抗爆炸作用引起的不平衡荷载。

2.2 长边区域

按6度抗震设计的框架结构顶层长边中柱模拟加载爆炸荷载，结构并没有发生破坏，而是在0.33秒左右重新进入另一受力平衡状态。这种破坏作用下，結构的梁端弯矩承载力提供主要抗力承载力。横向形成一定的压拱作用机制，沿纵向则没有形成明显的延性拱效应。

2.3 短边区域

6度抗震设计的框架结构顶层长边中柱拆除后，在0.5秒左右变形超过梁的变形极限，此时认定结构发生了延性破坏。6度抗震设计的框架结构顶层内部区域中柱拆除后，在0.25秒左右重新进入新的力学平衡状态，未发生脆性破坏，结构并没有发生倒塌。结构尚处于延性阶段，两个方向的框架梁以梁端抗弯承载力提供结构抗力。

2.4 计算结果总结

对3个不同设防烈度的典型框架结构的不同结构区域进行爆炸荷载下的抗倒塌分析，结果如下表所示：

3 结论

本文以框架结构的数值分析模型为基点，进行了爆炸荷载作用下结构倒塌的模拟与分析，研究了结构爆炸荷载下倒塌的力学机制，从而分析出了结构在爆炸作用下的抗爆性能。

（1）不同平面区域的影响。以上对于框架结构四个典型区域的分别作了有限元拆除构件分析，也即模拟在爆炸荷载作用下结构的抗连续性倒塌性能分析。其中角部约束性能最弱，使得在爆炸荷载作用的备选传力路径最少，且只能以梁端弯矩来提供有效的抗倒塌抗力。长边区域所受约束较多，备选力学路径较多，承载力较强从而相对抗爆性能较好。对于短边区域，由于纵向框架梁跨度较大，所受外荷载区域较大，此区域爆炸破坏后较较其他区域更加容易发生倒塌。从以上分析，四个区域抗爆能力依次为： 内部区域较强，纵向抗爆能力大于横向抗爆能力，角柱部分抗爆能力最差，这部分应做较强的构造措施以保证提高其延性破坏能力。化工建筑物宜在角部区域及短边区域作适当的加强构造措施，以提高结构的鲁棒性与整体稳定性，从而增强结构的抗爆性能。

（2）抗震设防烈度的影响。结构在不同设防烈度工况下抗爆性能不同，烈度越高抗爆性能越差，在实际工程中应当采取必要的措施以提高抗爆性能。抗震与抗爆性能的提高同时能提高都有赖于其延性、整体稳定性与耗能能力的提高。抗震设计造成的构件截面尺寸和配筋上的提高，在增加梁的抗弯承载力同时，也改善了结构的抗爆性能。通过分析可以看出，抗震设防烈度越高，对抗爆性能提高的效果越显著。