火灾爆炸作用下型钢柱的动力响应与破坏模式分析

史明方，刘振宇，田志昌

（内蒙古科技大学土木工程学院，内蒙 古包头 014010）

随着我国化工产业的迅速发展，易燃易爆品引起潜在火灾与爆炸的可能性大大增加，导致火灾爆炸事件频繁发生，这不仅导致了财产的损失，而且带来了人员的伤亡[1-2]。

国内外学者对火灾爆炸作用下建筑结构破坏进行了研究。刘子健等[3]用ABAQUS 分析了不同截面形状下混凝土柱的受火特征分析。焦燏烽等[4]运用LS-DYNA 在考虑不同柱端约束条件和不同折合距离的影响下，分析了爆炸荷载作用下钢筋混凝土柱的动态响应及破坏模式。师燕超等[5]运用有限元显式动力分析软件，建立混凝土柱模型，分析了爆炸荷载作用下钢筋混凝土柱的破坏形式。以上研究均是针对单独爆炸或火灾下结构破坏的研究。但是，火灾爆炸通常相伴发生，为了更符合实际情况，本文综合考虑火灾和爆炸作用带来的影响。借助ANSYS/LS-DYNA 显式有限元软件，本文对框架在特定火灾温度时，受爆炸作用的型钢柱进行数值分析，研究火灾爆炸作用下型钢柱的动力响应及破坏模式。

1 有限元模型分析

1.1 材料参数

炸药的爆炸通过修改K 文件进行引爆，采用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN 和*EOS_JWL 来表示。其中炸药质量密度为1 630 kg/m3，爆速为6 713 m/s，爆压为18.5 GPa。空气材料的关键字用*MAT_NULL 来描述，其密度为1.29 kg/m3。

材料通过拉应力是否超过抗拉强度（即米塞斯屈服应力）作为破坏准则。

1.2 模型验证

本节选用参数与李忠献等[6]文献相同，对比分析型钢柱在爆炸作用下的动力响应。经数值模拟，钢柱的柱中位移时程曲线与文献原文计算结果如图1 和图2 所示。由图1 和图2 可以发现，与原文计算结果相比，ANSYS/LSDYNA 计算得出的型钢柱位移时程曲线数据与其相差不大、曲线的趋势基本相同，钢柱应力云图与文献基本类似，破坏模式相同，钢柱应力云图与文献基本类似，破坏模式相同，可以验证本文使用的数值模拟方法的正确性。

图1 位移时程曲线对比图

图2 应力云图的对比

1.3 本文使用的钢材本构模型

通过分析及查阅文献[7-8]可知，将J-C 模型进行修正，得出Q235-B 钢的状态方程[9]，表达式：

式中：σy为考虑火灾爆炸作用后的材料屈服强度；σ0为材料的屈服强度；ε 为应变（Z）为不同比例距离下的应变率，为参考应变率，本文取=0.000 1 s-1。T（t）*为无量纲化的温度。

2 火灾爆炸作用下型钢柱的动力响应

为了分析研究火灾爆炸作用下型钢柱破坏的动力响应，选取6 m×4 m 单跨单层的框架结构，模拟计算简图如图3 所示。计算在温度分别为20℃、200℃、300℃、400℃、500℃、600℃和700℃时，型钢柱一侧施加爆炸冲击荷载的动力响应。

图3 模型计算简图

2.1 火灾爆炸作用下型钢柱动力响应分析

图4 给出火灾爆炸作用下型钢柱跨中的最大位移时程曲线，由图可以看出，当温度在20℃、200℃时，由于材料采用*MAT_Plastic-Kinematics 各向同性非线性硬化塑性材料，而且爆炸荷载作用时间极其短暂，故在极短时间内达到位移最大值后型钢柱跨中最大位移产生震荡出现波动现象，随时间增加最后趋于平稳。型钢柱产生了不可恢复的塑性变形，说明在此温度下型钢结构的特性还很稳定；当温度达到300℃、400℃时，型钢柱跨中位移达到最大值，并在一定时间后迅速下降，由此看出，型钢柱达到极限应力时损伤严重且在此时结构已经发生失效。

图4 z=0.95 m/kg1/3 时位移时程曲线

在爆炸作用下，结构的损伤程度不仅取决于炸药质量，而且还与起爆点和目标点之间的距离有关。所以，通过“比例距离”这一概念将两者综合考虑来表示炸药强度的大小。为了分析炸药强度的大小对动力响应的影响。本节以型钢柱两端为固接的情况下，比例距离z=0.95 m/kg1/3、z=1.36 m/kg1/3和z=2.19 m/kg1/3的型钢柱为研究对象，研究比例距离对火灾爆炸作用下型钢柱的动力响应及规律的影响。不同比例距离下型钢柱跨中最大位移随温度变化的曲线，如图5 所示。

图5 比例距离影响（H=3.3 m）

结果表明，型钢柱跨中最大位移随着比例距离的增大而减小，这是因为炸药当量减小，炸药冲击波对型钢柱迎爆面的冲击力降低；比例距离越小，冲击力越大，型钢柱的跨中最大位移随温度的变化趋势越明显。在相同比例距离时，随温度上升型钢柱跨中最大位移变化趋势基本相同，在400℃之前型钢柱跨中最大位移缓慢增加，600℃之后，型钢柱跨中最大位移突然增大，这说明在高温条件时，巨大的冲击力下使得型钢柱发生了破坏。“比例距离”这一概念有效地衡量了炸药的强度，使得计算方法更为简便，清晰反映了型钢柱的动力响应特点。

2.2 不同截面形式下型钢柱的动力响应

根据钢结构的设计，考虑截面形式对型钢柱有影响的情况下，当截面惯性半径接近时选取H 型钢柱截面尺寸为300 mm×200 mm×10 mm×14 mm，如图6 所示。

图6 型钢柱截面尺寸（单位mm）

比例距离z=1.36 m/kg1/3和z=2.19 m/kg1/3，两端为固接的型钢柱为研究对象。研究两种截面形式时火灾爆炸作用下型钢柱的动力响应特点及规律。通过数值模拟计算得出的型钢柱跨中最大位移随温度变化曲线如图7 所示。

由图7 可知，在相同截面形式下，H 形型钢柱随温度升高跨中最大位移缓慢增加，方钢柱随温度升高跨中最大位移的变化趋势较为明显，且在400℃之后，H 钢的跨中位移变化较为稳定；在相同比例距离时，不同截面形式下，H 形截面的型钢柱跨中最大位移要比方形截面小。

图7 截面形式的影响

3 火灾爆炸作用下型钢柱破坏模式

基于前文计算，在比例距离对动力响应影响较大情况下，本节对2 种截面形式的型钢柱在常温和高温下的破坏模式进行评估，研究温度对破坏模式的影响及不同截面的安全性能。

3.1 方钢柱的破坏模式

爆炸的发生降低了型钢柱的耐火温度和耐火时间。本节以柱高H=3.3 m，比例距离分别为z=2.19 m/kg1/3、z=1.36 m/kg1/3和z=0.95 m/kg1/3，对型钢柱温度为常温（20℃）、500℃、700℃时，两端为固接的方钢柱为研究对象，分析火灾爆炸作用下型钢柱的破坏模式。通过模拟计算得出常温（20℃）型钢柱的应力云图，如图8 所示。

图8 常温下发生爆炸时方钢柱破坏模式

结果表明，在常温下，型钢柱的破坏程度受比例距离的影响，随着比例距离的增大型钢柱爆炸荷载作用下的损伤程度越小。z=0.95 m/kg1/3时，型钢柱受爆炸荷载柱脚产生剪切破坏，柱脚最大剪切应力为44.4 MPa，跨中最大剪切应力为32.5 MPa，柱顶最大剪切应力34.1 MPa，柱脚被剪断，跨中产生弯曲变形，型钢柱继而发生弯剪破坏。z=1.36 m/kg1/3时，型钢柱受爆炸荷载产生剪切破坏，跨中发生弯曲变形。z=2.19 m/kg1/3时，型钢柱受爆炸荷载产生剪切破坏。

在常温下，型钢柱发生这些破坏是由于爆炸荷载作用在极短的时间内产生了很大的冲击力，冲击荷载作用在型钢柱表面，跨中产生了弯曲变形。当跨中弯曲位移还没来得及发展，柱脚的剪切应力就迅速增大到破坏应力时，此时就更容易产生剪切破坏。

型钢柱温度为500℃、700℃时，型钢柱的应力云图，如图9 所示。

图9 500℃和700℃发生爆炸时方钢柱破坏模式

由图9 可以发现，随着比例距离的增大，型钢柱的破坏程度逐渐减小，主要产生了2 种破坏模式，即z=0.95 m/kg1/3和z=1.36 m/kg1/3时，型钢柱产生弯剪破坏和z=2.19 m/kg1/3时，型钢柱产生剪切破坏。z=0.95 m/kg1/3时，在温度为700℃下，型钢柱受爆炸荷载破坏比较严重，柱脚和柱头都发生了单元的失效。z=1.36 m/kg1/3时，在温度为700℃下，4 ms 时柱脚出现单元的消失，最大剪切应力为53.2 MPa，随后，型钢柱受爆炸作用柱脚被剪断，跨中发生较大弯曲变形。z=2.19 m/kg1/3时，型钢柱受爆炸荷载塑性变形很小，在温度为700℃下柱脚发生剪切破坏。

当型钢柱温度为500℃和700℃时，型钢柱发生这些破坏的原因是高温下钢结构的材料力学性能下降，同时在爆炸荷载的冲击下，导致型钢柱的破坏程度比常温下破坏得严重，但破坏模式基本相同。

3.2 H 型钢柱的破坏模式

为了研究不同截面形式型钢柱的破坏模式，以柱高H=3.3 m，比例距离z=1.36 m/kg1/3，型钢柱截面尺寸为500 mm×300 mm×12 mm×16 mm，两端为固接的型钢柱为研究对象，分析型钢柱为500℃、700℃时火灾爆炸作用下型钢柱的破坏模式。火灾爆炸作用下H 型钢柱破坏模式应力云图，如图10 所示。

图10 H 型钢柱破坏模式应力云图

结果表明，在型钢柱为500℃时，火灾爆炸作用下型钢柱柱脚单元失效被剪断，翼缘发生屈曲，跨中产生较大变形；700℃时，2 ms 时柱脚出现单元消失，最大剪切应力为48.2 MPa，由于钢结构的材料力学性能下降，柱脚单元严重失效，同时翼缘发生破坏。由此可以看出，型钢柱为500℃、700℃时火灾爆炸作用下型钢柱发生弯剪破坏，与方钢柱的破坏相同。

为了分析高温下不同截面钢结构的安全特性。对比图9 和图10 可以发现，当z=1.36 m/kg1/3，500℃下8 ms 时方钢柱脚发生单元消失，其最大剪切应力为193.5 MPa；4 ms 时H 钢柱脚单元失效，最大剪切应力为166.6 MPa。H 钢的破坏先于方钢，且承受水平剪切能力较差。

4 结论

（1）温度低于200℃时，型钢柱发生不可恢复的塑性变形，钢结构的特性还很稳定；当温度达到300℃、400℃时，型钢柱跨中位移达到最大值后迅速下降，型钢柱达到极限应力时损伤严重且在此时结构已经发生失效。

（2）比例距离能有效衡量炸药的强度，给计算提供了简便的方法。比例距离对型钢柱的动力响应较为显著，在比例距离一定时，应尽量选择长细比较小的柱子，增大比例距离能有效提高型钢柱抵抗火灾爆炸作用的能力，所以在增强型钢柱抗火抗爆性能时应先考虑比例距离的影响。

（3）随着温度的升高，型钢材料的力学性能下降，由于耐火能力降低，导致型钢柱的破坏程度愈加严重。型钢柱主要发生弯剪破坏，即跨中发生弯曲变形产生受弯破坏，柱脚被剪断发生剪切破坏。结果表明，无论常温还是高温，型钢柱的破坏模式是相同的。且在高温下，截面形式对型钢柱的破坏模式影响不大，H 钢的损伤程度较为严重。