有无预应力内置压型钢板装配式宽连梁抗爆性能研究

周文君，李令令, 聂红鑫

(吉林建筑科技学院，吉林 长春 130000)

大量工程实践及科学试验表明宽连梁具有增大梁剪压区范围、提高跨高比值，优化结构的整体性能的特性.装配式体系引进宽连梁构件，既能显著提高建筑预制装配化程度，又能充分发挥剪力墙-宽连梁的结构优势[1-3]。

针对现有技术存在的问题，沈阳建筑大学孙丽教授提出一种内置压型钢板凹槽结构的装配式宽连梁构件，图1为此宽连梁的装配形式以及多连梁构造的装配形式。预制时，将压型钢板围成的U型凹槽作为内模板，预制完成的宽连梁两端形成“凹槽结构”且宽度应大于预制剪力墙板。装配时将预制连梁宽梁吊装剪力墙预留的连梁卡位，钢筋穿过凹槽浇注混凝土，成为一种新型混合联肢墙体系。自内置压型钢板装配式宽连梁-剪力墙结构结构提出以来，孙丽教授已经在其他各方面做了充分研究。

图1 内置压型钢板凹槽结构的装配式宽连梁

笔者在研究箍筋对内置压型钢板装配式宽连梁-剪力墙抗爆性影响时发现，其连梁破坏初期多由混凝土抗拉能力差导致，施加截面预压力能有效改善抗拉能力不足的缺点。基于此,笔者应用基于HyperMesh的专业爆破前处理插件TCE(TechChat- Exploding，TCE)建立了内置压型钢板装配式宽连梁-剪力墙结构流-固耦合有限元模型，应用 Ls-Dyna 的显示求解功能，在相同爆炸荷载下改变截面预应力值，对内置压型钢板装配式宽连梁抗爆性与预应力的影响关系进行研究。

1 材料模型

本数值模拟中，炸药TNT特性应用Ls-Dyna求解器封装材料库提供的*MAT_HIGH_EXPLOSI VE_BU RN材料模型，结合*EOS_ JWL状态方程模拟；空气特性应用Ls-Dyna求解器封装材料库提供的*MAT_NULL空材料模型，并结合*EOS_LINE R_ POLYNOMIAL状态方程模拟[4-6]。

1.1 混凝土材料模型

本数值模拟中，混凝土C40特性应用Ls-Dyna求解器封装材料库提供的*MAT_JOHNSON_HOL MQUIST_CONCRETE模型(简称 HJC)进行模拟。其中HJC模型针对求解爆炸冲击荷载，这种会引起材料产生大应变、高应变率等的工况极为合适。HJC模型是以累积塑性应变为衡量标准的损伤本构关系模型，具有反应压力效应及应变率的敏感属性，其特性应用于Lagrange和Euler单元的有限元计算中非常合适[7]。模型中等效屈服强度变量是标准压力、应变和损伤变量相关联的函数。其中标准压力变量又是体积应变变量的函数，即包含压实效应，积累损伤是塑性体积应变、等效体积应变和压力变量相关的函数。材料等效屈服强度计算公式如下[8-9]：

(1)

1.2 钢筋材料模型

钢筋为应变率十分敏感的各向同性材料，与受静力荷载不同，钢筋在高应变率爆炸荷载的作用下会发生极速的材料变形，故对于模拟钢材的动态特性，笔者选用Ls-Dyna求解器封装材料库提供的*MAT_PLASTIC_KIN EMATI非线性材料模型模拟，该材料模型考虑了应变率效应对应力的影响，适用于模拟具有各向同性和塑性随动硬化特性的材料，有效节约计算时间，在梁单元和壳单元中计算优势更明显。 *MAT_PL ASTIC_KINEMATI材料模型应用Cowper-Symonds关系来考虑和应变率有关的影响，采用与应变率的有关因数描述屈服应力[10]：

(2)

2 有限元分析模型

2.1 构造及材料

内置压型钢板装配式宽连梁-剪力墙尺寸、钢筋分布及炸药几何尺寸，见图2。构件箍筋及纵筋采用HRB400级钢筋，参数见表1；混凝土采用C40级混凝土，参数见表2。其中，预应力钢筋公称直径为25 mm，屈服强度785 MPa，其他参数参照HRB400级钢筋，见表1；TNT炸药体积60 mm×180 mm×120 mm(LB-1=60 mm、LB-2=180 mm、LB-3=120 mm)[11-15]。

图2 模型尺寸及钢筋分布(单位：mm)

表1 钢筋材料参数

表2 C40混凝土材料参数

2.2 有限元网格处理

有限元模型钢筋应用Ls-Dyna显示动力学单元BEAM 168模拟，单元数量1 022个；混凝土应用Ls-Dyna显示动力学单元Solid 164模拟，单元数量1 308个；压型钢板应用Ls-Dyna显示动力学单元PLANE 162平面板单元模拟，单元数量228个。单元网格划分尺寸为50 mm，其中混凝土与压型钢板及与预应力钢筋间采用弹簧单元连接，用来等效两种介质间的粘连状态，网格划分见图2。

3 有限元分析结果

3.1 无预应力抗爆分析

宽连梁在距起爆0.01 s时宽连梁横截面混凝土出现贯穿损伤，至0.03 s后爆炸冲击不再引起宽连梁进一步损伤，见图3，其中混凝土单元损伤量占混凝土单元总量的46.3%，表明混凝土损伤程度属于极为严重，见表3。0.04 s时钢筋骨架达峰值位移2.68 mm，钢筋骨架位移-时间曲线见图4。

图3 无预应力宽连梁位移云图

图4 无预应力宽连梁钢筋骨架位移-时间曲线

3.2 各截面预加压力抗爆分析

1 000 MPa、1 200 MPa、1 400 MPa、1 600 MPa截面预加压力抗爆分析如下。

(1) 截面预加压力1 000 MPa时，爆炸全过程中未出现混凝土梁截面贯穿损伤，0.30 s后爆炸冲击不再引起宽连梁进一步损伤，混凝土单元损伤量占混凝土单元总量47.48%，见表3，表明混凝土损伤程度极为严重。0.46 s时钢筋骨架达峰值位移2.92 mm，见图5。

(2) 截面预加压力1 200 MPa时，爆炸全过程中未出现混凝土梁截面贯穿损伤，0.33 s后爆炸冲击不再引起宽连梁进一步损伤，混凝土单元损伤量占混凝土单元总量42.43%，见表3，表明混凝土损伤程度较为严重。0.46 s时钢筋骨架达峰值位移2.62 mm，见图5。

图5 有预应力宽连梁钢筋骨架位移-时间曲线

表3 不同预压力值的失效单元比例

(3) 截面预加压力1 400 MPa时，爆炸全过程中未出现混凝土梁截面贯穿损伤，0.35 s后爆炸冲击不再引起宽连梁进一步损伤，见图6，混凝土单元损伤量占混凝土单元总量37.46%，见表3，表明混凝土损伤程度最轻。0.47 s时钢筋骨架达峰值位移1.66 mm，见图5。

图6 截面预压力1 400 MPa宽连梁位移云图

(4) 截面预加压力1 600 MPa时，爆炸全过程中未出现混凝土梁截面贯穿损伤，0.34 s后爆炸冲击不再引起宽连梁进一步损伤，混凝土单元损伤量占混凝土单元总量39.83%，见表3，表明混凝土损伤程度较轻。0.49 s时钢筋骨架达峰值位移2.35 mm，见图5。

截面预加压力可以有效改善内置压型钢板宽连梁的抗爆性能。延长宽连梁达到最终破坏的时间，降低混凝土的损伤程度，减弱钢筋骨架在爆炸荷载下的位移变形。但是预加截面压力值应该在一定范围内，如本例截面预加压力小于1 000 MPa时，未能明显改善宽连梁抗爆性能；大于1 600 MPa后又开始不利于宽连梁抗爆性能提升。

3.3 有无预应力抗爆性对比

由表3中失效单元占比数知，施加截面预加压力的内置压型钢板装配式宽连梁抗爆能力总体强于同规格的普通宽连梁。初始预应力值在1 400 MPa时抗爆能力提升到顶峰。

施加截面预加压力，大幅度改善普通宽连梁在爆炸荷载下的脆性特性。减少混凝土单元损伤量的同时，延缓终止破坏时间达无预应力宽连梁的近10倍。

施加截面预加压力，一定程度上改善宽连梁钢筋骨架在爆炸荷载下的变形程度。由图5可知，骨架位移-时间曲线，预加压力1 000 MPa时，出现几条钢筋骨架位移曲线的位移幅值最值，同时振动幅度最大；随着预加压力增加至1 200 MPa～1 400 MPa范围内，位移幅值变小，位移振动幅度也下降，振动趋于稳态；随着施加预加压力值的继续加大，位移幅值逐步增加，振动幅度也有所提高。

4 结 论

(1) 采用预应力技术，可以一定程度上提升内置压型钢板宽连梁抗爆性能。

(2) 改善内置压型钢板宽连梁在爆炸荷载下的脆性弱点，可以通过预应力技术达到目的。

(3) 采用预应力技术改善内置压型钢板宽连梁抗爆性能时，截面预压力值应该控制在一定范围内，预压力值过高或过低，都可能达不到预期效果，预加压力最适控制在1 200 MPa～1 400 MPa范围。