内爆作用下不同类型填充墙对RC框架结构的影响

李 娟，丛培宇，刘 香，李 革，郭建圆

(内蒙古科技大学土木工程学院，内蒙古 包头 014010)

近些年，国内外学者对爆炸荷载作用下钢筋混凝土框架结构的动力响应及抗连续性倒塌、爆炸荷载作用下墙体的动力响应及破坏模式，以及使用高性能材料对墙体进行加固等方面进行了广泛的研究。但是对于爆炸荷载作用下普通砌块填充墙和加固砌块填充墙对RC框架结构的影响以及采用泄爆填充墙的研究相对较少。实际的普通砌块填充墙的框架结构以及将填充墙体进行加固并应用在结构中的框架结构，在内爆作用下由于填充墙体的存在可能会导致爆炸冲击波被约束在一定的空间内并进行反射使爆炸产生的能量难以耗散，造成框架结构可能会受到不同程度的冲击作用，所以不同类型填充墙对框架结构主体的影响不容忽视。本文介绍了利用ANSYS/LS-DYNA模拟分析2 层L型RC框架结构在相同内爆条件下分别设置普通混凝土砌块填充墙、碳纤维布加固砌块填充墙、加固泄爆组合填充墙时构件损坏程度的过程，并据此研究内爆作用下不同类型填充墙对RC框架结构的影响。这对减轻建筑物在爆炸荷载作用下的结构破坏，减少人员伤亡及财产损失具有积极作用。

1 数值模拟方法验证

1.1 对比试验概况

依据文献[1-2]介绍的爆炸荷载作用下结构试验模型建立数值模拟模型。文献[1]叙述的是框架结构试验模型，其尺寸为长×宽×高=75 cm×60 cm×50 cm，采用200 g乳化炸药，爆点高度为层间净高的一半。文献[2]介绍的是采用1/2缩比的砌块填充墙模型，空心砌块错缝砌筑于净高150 cm、净宽110 cm的钢筋混凝土平面框架内，框架梁、柱的截面尺寸为20 cm×20 cm，砌块墙左右两侧与混凝土框架柱均保持5 cm的间距，墙体背部采用三层碳纤维布加固，每层厚度为0.016 7 cm，400 g的TNT炸药位于砌块填充墙正面的中心处。

1.2 材料模型、单元类型及算法

钢筋混凝土与混凝土砌块采用*MAT_BRITTLE_DAMAGE模型。这种复合材料模型能够很好描述高应变率条件下混凝土及砌体响应问题，而且材料定义中包含配筋率选项，可以方便定义钢筋和混凝土材料属性，适用于模拟钢筋混凝土框架及砌体填充墙实体单元模型[3-5]。通过添加关键字*MAT_ADD_EROSION定义混凝土材料的失效应变。碳纤维布用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC模拟。炸药采用*HIGH_EXPLOSIVE_BURN模型，通过添加关键字*EOS_JWL来描述炸药爆轰过程[6-7]。空气采用*MAT_NULL模型以及线性多项式*EOS_LINEAR_POLYNOMIAL状态方程描述。

本文讨论的钢筋混凝土框架结构及混凝土砌块填充墙使用3DSOLID八节点实体单元，碳纤维布采用SHELL163单元。在数值模拟中，固体用Lagrange单元算法，空气和炸药采用单点ALE多物质单元算法，SHELL163单元选择Belytschko-Tsay单点积分的壳单元算法，通过*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID这一关键字实现流固耦合[8]。文献中介绍的试验模型与本文建立的有限元模型分别如图1～2所示。

图1 文献[1]中的试验模型与建立的对应有限元模型Fig.1 The experimental model in literature [1] and the corresponding finite element model established

图2 文献[2]中的试验模型与建立的对应有限元模型Fig.2 The experimental model in literature [2] and the corresponding finite element model established

1.3 模拟结果验证

文献[1]中介绍的爆炸荷载作用下框架结构破坏形态与本文数值模拟破坏形态对比如图3所示，试验结果和数值模拟结果中顶板和梁柱节点的破坏形态基本一致，梁板交界区域均呈现冲切开裂破坏特征，顶板均呈现弯曲和冲切破坏，裂缝沿着板的塑性铰线开展(见图3a、图3b)；梁柱节点区域均为冲切破坏特征，同时伴随有边梁沿着弱轴外翻现象(见图3c、图3d)。

图3 文献[1]中试验结果与数值模拟结果对比Fig.3 Comparison of experimental results and numerical simulation results in literature [1]

选择文献[1]中试验的P2测点的空气超压时程数据与本文数值模拟中对应P2测点(见图1b)的模拟结果进行对比，P2测点的空气超压时程如图4所示。文献[1]中试验测得的P2测点首个压力峰值为6.397 2 MPa，而数值模拟结果中P2测点首个压力峰值为6.43 MPa，两者误差约0.5%。随着时间的增加，试验和模拟中P2测点处的压力都在减小并逐渐恢复到一个大气压下。数值模拟得到的P2测点空气超压时程与试验所得空气超压时程在超压上升段及第二次峰值出现前，趋势和数值差异很小。虽然两段曲线在超压下降后的平滑段存在一定的差异，但差异不大，且超压第二峰值出现后，爆炸荷载对结构的损伤及破坏已形成，之后的超压曲线平滑段的差异对结构的损伤及破坏程度影响很小。

图4 P2测点空气压力时间历程Fig.4 P2 measuring point air pressure time history

文献[2]中介绍的爆炸荷载作用下碳纤维布加固砌块填充墙的破坏形态、破坏面积与本文数值模拟的破坏形态、破坏面积对比如图5所示。文献[2]试验和本文数值模拟中的碳纤维布加固砌块填充墙正爆面靠近爆炸位置处都产生了局部破坏，试验砌块填充墙正爆面产生高约30 cm、宽约25 cm的洞口，数值模拟结果中砌块填充墙正爆面破坏洞口高约32 cm、宽约28 cm(见图5a、图5b)；在碳纤维布加固砌块填充墙背爆面靠近爆心投影点附近的碳纤维布均发生水平和垂直方向的拉伸断裂破坏，破坏区域均呈近似矩形状，试验砌块填充墙背爆面碳纤维布破坏区域高约15 cm，宽约15 cm，数值模拟结果中砌块填充墙背爆面碳纤维布破坏区域高约17 cm、宽约13 cm(见图5c、图5d)。由此可见，本文数值模拟结果与文献[2]中试验结果呈现的墙体破坏位置、形态基本一致，破坏区域面积相差约6.7%～13.3%。

图5 文献[2]中试验结果与数值模拟结果对比Fig.5 Comparison of experimental results and numerical simulation results in literature [2]

通过文献[1-2]中试验结果与本文模拟结果的对比，可以看出数值模拟结果与试验结果在构件破坏形态到具体数据都能保持基本一致且差距较小，说明本文采用针对爆炸荷载作用下RC框架结构及填充墙的数值模拟方法及参数选取是适用的、合理的。

2 RC框架结构数值模拟

2.1 算例模型

考虑到计算机性能以及计算效率问题，从某实际建筑物中截取局部2 层L型RC框架结构部分作为研究对象。该建筑物层高4.5 m，125 kg TNT炸药在建筑内部爆炸，建筑平面及炸药平面位置如图6a所示，三维模型如图6b所示。其中，建筑物填充墙为300 mm厚混凝土砌块填充墙，砌块的强度为B06级，砌筑砂浆强度为M 5.0。楼板、梁、柱结构混凝土强度均为C30。构件配筋按照原设计设置。楼板厚为120 mm，柱子截面尺寸为600 mm×600 mm，①、③轴主梁尺寸为300 mm×1 000 mm，②轴主梁尺寸为350 mm×850 mm，A、B、C轴主梁尺寸为350 mm×850 mm。由于炸药设置在建筑物二层，对底层墙体影响很小，故模型只建立了二层墙体。为了研究内爆作用下不同类型填充墙对RC框架结构的影响，在该模型的基础上改变填充墙类型，共形成3个算例模型。3个算例模型的填充墙类型如表1所示。

图6 算例建筑设计尺寸及三维模型Fig.6 Architectural design size and three-dimensional model

表1 不同类型填充墙的RC框架结构模型算例

2.2 数值模拟结果分析

利用LS-DYNA对以上3个算例在内爆作用下的受力及损坏过程进行模拟分析，并将计算所得数据用后处理软件LS-PERPOST进行可视化处理，分别得到3个算例在100 ms时的破坏形态。

内爆作用下设置普通混凝土砌块填充墙的RC框架结构(见图7)，炸药所在位置顶板和底板四周首先发生冲切破坏，之后板中心产生指向四周的斜裂缝，并鼓起；随着爆炸产生的冲击波向外传播，距起爆点较远的AB跨顶板底板下表面开裂；③轴BC跨二层主梁跨中和梁柱节点处发生了破坏，表现出典型的弯剪破坏；③轴BC跨一层主梁与次梁节点处发生冲切破坏；③轴与C轴交汇处、②轴与B轴交汇处的二层框架柱柱底发生了破坏；其余RC框架梁、柱未发生破坏。

图7 算例1破坏形态Fig.7 Failure mode of example 1

内爆作用下全部墙体设置为碳纤维布加固砌块填充墙的RC框架结构(见图8)，钢砼楼板的破坏位置、形态与设置普通混凝土砌块填充墙的RC框架结构中钢砼楼板的破坏位置、形态相似；③轴BC跨、C轴23 跨二层主梁在梁柱节点处发生早期直剪破坏；C轴23 跨一层主梁有外翻现象；②轴与B轴交汇处第二层框架柱柱顶发生了剪切破坏。

图8 算例2破坏形态Fig.8 Failure mode of example 2

内爆作用下设置加固泄爆组合填充墙的RC框架结构(见图9)，钢砼楼板的破坏位置、形态与前两者钢砼楼板的破坏位置、形态相似；梁、柱以及梁柱节点均未发生破坏，只有部分构件中部出现一些裂纹。

图9 算例3破坏形态Fig.9 Failure mode of example 3

由图7～图9中3个算例模型的破坏形态可以看出，设置不同类型填充墙的RC框架结构在内爆作用下的梁、柱破坏情况有较大差异。设置普通混凝土砌块填充墙和将砌块填充墙全部进行碳纤维布加固的两组RC框架结构的梁、柱损伤、破坏程度非常严重。采用加固泄爆组合填充墙的RC框架结构与前两者相比，梁、柱基本完好，构件损伤程度最轻。

设置不同类型填充墙的RC框架结构中框架主梁跨中外侧面单元最大主应变时间历程如图10所示，该单元位于③轴BC跨第二层主梁跨中外侧面。其中，设置普通混凝土砌块填充墙的RC框架结构和设置碳纤维布加固砌块填充墙的RC框架结构中该单元的最大主应变均在15 ms时发生较大向下突变，并于20 ms时趋近于0。这说明在以上两种结构中，该梁早在20 ms时已发生严重破坏。而采用加固泄爆组合填充墙的RC框架结构中该单元最大主应变在50 ms时出现峰值，且在峰值前后一直处于波动变化状态，说明该梁直到100 ms时仍未破坏。

图10 框架梁跨中外侧面单元的最大主应变时间历程Fig.10 Time history of the maximum principal strain of middle and outer side elements of the frame beam span

设置不同类型填充墙的RC框架结构中框架柱底外侧面单元最大主应变时间历程如图11所示，该单元位于②轴与B轴交汇处第二层框架柱底外侧面。3种设置不同填充墙的RC框架结构中该柱单元最大主应变在0至75 ms之间一直持续增大；设置普通混凝土砌块填充墙的RC框架结构中该柱单元的最大主应变在87 ms时突降为0，柱发生破坏；设置碳纤维布加固砌块填充墙的RC框架结构中该柱单元的最大主应变在82 ms时突然大幅减小，并在很短的平稳期后急速下降为0，柱发生破坏；采用加固泄爆组合填充墙的RC框架结构中该柱单元最大主应变在75 ms后一直在较高值范围内平稳波动变化，说明该柱直到100 ms时仍未破坏。

图11 框架柱底外侧面单元的最大主应变时间历程Fig.11 Time history of the maximum principal strain of the outer side element of the frame column bottom

从以上梁、柱单元最大主应变时间历程对比可以看出，在内爆作用下，采用加固泄爆组合填充墙的RC框架结构中梁、柱的损坏程度远低于普通混凝土砌块填充墙和碳纤维布加固砌块填充墙的RC框架结构，这是由于加固泄爆组合填充墙是由泡沫混凝土砌块填充墙与碳纤维布加固砌块填充墙两部分墙体组成，内爆作用下采用碳纤维布加固的砌块填充墙产生的碎片不易飞溅，泡沫混凝土砌块填充墙率先破碎，因此改善了冲击波难以耗散的问题，降低了大量碎片飞溅对人员造成的二次伤害以及财产的二次损害，同时减轻了RC框架主体结构受到的爆炸冲击作用。

3 结语

1)在一定爆炸当量的内爆作用下，设置不同类型填充墙的RC框架结构中梁、柱发生损伤或破坏的位置、形式及程度有较大差异。填充墙类型对内爆作用下多层RC框架结构的影响不容忽视。因此，在对多层RC框架结构进行防爆泄爆设计时应充分考虑填充墙类型对主要受力构件受荷情况的影响。

2)从模型破坏形态图和梁、柱单元最大主应变对比中都可以看出，采用加固泄爆组合填充墙的RC框架结构中梁、柱的损伤程度远低于普通混凝土砌块填充墙和碳纤维布加固砌块填充墙的RC框架结构。设置加固泄爆组合填充墙可对减轻RC框架结构破坏、保护人员和财产安全起到积极作用。

3)通过本文算例可以看出，由于受荷面大，即使是在梁、柱未发生破坏的前提下，钢砼楼板也会发生较严重破坏。楼板的破坏仍可引起人员伤亡和财产损失。在一定爆炸当量下，如何有效减小楼板的损伤程度仍需进行进一步研究。