近爆作用下钢筋混凝土柱损伤判据的试验研究

杨允锴,武双章,高振儒,毛益明

(陆军工程大学野战工程学院,南京 210007)

钢筋混凝土因其优异的材料特性和力学性能成为当前建筑结构抗爆设计的首选,研究钢筋混凝土构件在爆炸荷载作用下的毁伤效应与破坏模式,是研究结构整体倒塌的基础。常规武器战斗部爆炸作用于钢筋混凝土构件上的爆炸荷载较常规荷载具有峰值压力高、作用时间短、诱发的结构应变率高等特点,可能导致构件发生弯曲破坏、剪切破坏和弯剪破坏等破坏模式[1]。根据爆源参数预估结构物中主要构件的毁伤情况,对建筑物抗爆设计、毁伤评估及火力优化设计具有重要意义。

装药在钢筋混凝土构件近距离爆炸时,其爆轰产物及空气冲击波能够对构件造成毁伤,诸多学者对钢筋混凝土构件的毁伤规律进行了研究。T. Ngo等[2]利用数值模拟法研究得到了混凝土强度等级对钢筋混凝土柱抗爆性能的影响规律。张秀华等[3]利用有限元软件LS-DYNA模拟研究了爆炸荷载参数(峰值超压、正压作用时间)与支柱破坏模式间的关系。李国强等[4]使用有限元软件ANSYS研究了框架柱两端约束对其在爆炸载荷作用下动力响应的影响。Karns J E等[5]采用试验方法研究了框架柱在冲击破坏后,梁、柱交接点的受力、变形与整体框架倒塌之间的关联。魏雪英等[6]分析了不同截面的钢筋混凝土柱在不同比例距离下的侧向位移和破坏情况的不同。师燕超等[7-8]分析总结了爆炸作用下钢筋混凝土柱的动力响应及破坏模式,证明破坏模式与钢筋混凝土柱自身特性和爆炸荷载类型均有关。龚顺风等[9]通过数值模拟方法研究了近距离爆炸作用下钢筋混凝土柱的损伤机理。方秦等[10-13]以Timoshenko梁理论和有限差分方法为依据,给出了定量分析钢筋混凝土柱在爆炸作用下的动态响应和失效模式的方法。汪维等[14-15]分别对高层框架结构中常见的梁、板构件的缩比模型进行了实爆试验,并提出了试验构件的毁伤判据。闫俊伯等[16]采用数值模拟及试验方法,研究了不同混凝土强度和钢筋材料参数对钢筋混凝土柱抗爆性能及破坏模式的影响。张帝等[17]采用钢筋混凝土排架结构缩比模型进行了实爆试验与数值模拟,得出排架的关键破坏特征为迎爆位置处承重柱的倾覆转动的结论。Yan Liu等[18]采用单自由度分析法和数值模拟法,探讨了轴向荷载、纵向配筋率、横向配筋率、纵横比和边界条件的影响。田力等[19]利用数值模拟方法对比研究了冲击波单独作用、破片单独作用、二者联合作用下钢筋混凝土柱的动力响应。Gholipour G等[20]采用数值模拟方法,研究了施加不同冲击和爆炸荷载对轴向中高层建筑中典型钢筋混凝土受压柱破坏行为和动力响应的影响。

现有研究及结论大都是采用了理论分析或数值模拟方法,但装药在钢筋混凝土构件近距离爆炸时,爆炸荷载特性、构件边界条件及材料特性的复杂程度超出理论分析法的适用范围;而数值模拟法的结果与计算软件、模型网格尺寸、计算方法及材料模型参数的选取都有很大关系,在缺乏试验验证的情况下其有效性有待商榷。而大尺度钢筋混凝土结构及构件的毁伤试验,因安全风险大、成本昂贵,现阶段可参考的成果不多。

为研究钢筋混凝土柱在炸药近距离爆炸作用下的损伤,以钢筋混凝土排架结构支撑柱及抗风柱的缩比模型为试验对象,充分考虑排架结构中支柱的边界条件,进行了10次独立的大尺度爆炸试验研究,观测试验构件在爆炸荷载作用后的破坏效果与毁伤特征,分析了部分影响钢筋混凝土柱毁伤程度的因素,初步建立了钢筋混凝土柱的毁伤判据,提出了钢筋混凝土柱破坏等级的划分依据,为理论分析及数值模拟研究提供验证,为钢筋混凝土排架结构整体毁伤研究奠定基础。

1 试验设计

1.1 试件设计

考虑工程运用的实际情况,以最常见的钢筋混凝土单层排架结构大型工业厂房中的支撑柱及抗风柱为原型进行研究,其截面尺寸分别为600 mm×1 000 mm(宽B0×长L0)和600 mm×600 mm(宽B1×长L1),高度H均为15 000 mm,截面配筋率分别为ρ0=0.9%,ρ1=1.0%,两种试验构件的截面配筋如图1所示。钢筋混凝土柱使用C30混凝土材料,其轴心抗压强度fc=30 MPa,密度ρc=2 300 kg/m3,泊松比υc=0.2;选用了HRB400牌号的纵筋及箍筋,弹性模量Es=2.0×105MPa,屈服强度标准值fyk=400 MPa,极限强度标准值fstk=540 MPa,总伸长率极限值δgt=7.5%。

图1 单层排架结构典型支柱截面及其配筋Fig.1 Sections and reinforcements of typical columns in single layer shelving structure

考虑试验的成本及安全风险问题,采用1∶3的比例对原型构件进行缩尺设计,按照框架结构强度模型相似率原理,缩尺设计时应保证钢筋混凝土支撑柱的截面承载力等比例缩小。我国现行《混凝土结构设计规范》GB 50010-2010中钢筋混凝土构件正截面承载力的计算主要与截面尺寸和配筋率相关,结合配筋及保护层厚度的设计规范,确定缩比模型柱的截面尺寸分别为300 mm×400 mm(宽b0×长l0)和300 mm×300 mm(宽b1×长l1),截面配筋率分别为ρ′0=1.3%,ρ′1=1.8%,试验钢筋混凝土柱混凝土保护层厚度c=35 mm,高度h=5 000 mm,截面配筋形式如图2所示。模型柱的材料选用与原型一致。

图2 试验支柱的截面及配筋Fig.2 Sections and reinforcements of experimental columns

1.2 装药设计

选取某系列航空炸弹为研究对象,包含1 000磅级和2 000磅级等规格,其战斗部装药均可近似为圆柱形,长径比L/D≈5.5。装药近距离爆炸时,空气冲击波的正压作用时间t+通常小于钢筋混凝土柱的自振周期T,故按照冲量相似原理对战斗部进行缩尺设计,试验药量确定为10 kg及20 kg,装药形状为圆柱形,长径比L/D=5.5。同时选用5 kg及10 kg球形装药进行对照试验。试验装药采用熔铸TNT炸药,密度为ρTNT=1 630 kg/m3。

图3 装药布设Fig.3 Explosive charge device

1.3 现场布置

柱的抗爆能力明显强于墙壁等围护结构,且围护结构不会将爆炸荷载传达到支柱上[21],因此在野外试验场区营建了单层钢筋混凝土整体框架结构的主要承重构件(柱、梁、基础与屋架等),以更好地模拟实际框架结构中柱的初始边界条件。现场布置如图4所示。

图4 试验构件的布置Fig.4 Layout of experimental columns

1.4 工况设计

为保证试验的经济性、高效性,综合正交试验设计法并考虑实际情况,设计了10种不同工况的爆炸试验(见表1)。

表1 钢筋混凝土支柱试验设计

2 试验结果

2.1 不同形状装药爆炸对支撑柱的破坏作用

同比例距离条件下,进行支撑柱在圆柱形、球形TNT炸药爆炸作用下的对比试验。1～4炮次试验中钢筋混凝土柱的损伤情况及试验结果分别如表2和表3所示。

表2 1～4炮次钢筋混凝土柱损伤情况

表3 1～4炮次试验结果(迎爆中心区域)

由第1炮试验结果可以看出,1A柱发生弯剪破坏,柱存在明显的剩余位移,两端发生剪切破坏;迎爆部位混凝土完全破坏,侧面及背爆面混凝土保护层大量崩落,剩余混凝土有裂缝分布。纵筋及箍筋露出,出现明显变形及破坏。此时支撑柱1A使用功能完全丧失,无法修复,柱遭受完全毁伤。

由第2炮试验结果可以看出,2A柱发生弯曲破坏;迎爆面中央呈带状区域混凝土保护层未破坏,两侧混凝土保护层呈三角锥状破坏脱落;背爆面两侧混凝土脱落大于中央区域;箍筋内部核心混凝土有少量破碎和裂纹。纵筋、箍筋暴露,但未发生变形及破坏。此时柱难以通过维修加固继续使用,支撑柱2A遭受到重度破坏。

由第3炮试验结果可以看出,3A柱受到明显的弯曲破坏,其试验结果与2A柱相似,但箍筋内部核心混凝土破碎更加严重,支撑柱3A受到重度破坏。

由第4炮试验结果可以看出,4A柱仅发生表面破坏,柱整体无剩余位移;迎爆面中央带状区域混凝土保护层未破坏,仅两侧混凝土部分脱落,右侧纵筋及箍筋露出;侧面混凝土保护层呈倒三角锥状破坏脱落,剩余混凝土表面有呈三角锥形式的裂纹向背爆面延伸;背爆面有裂纹横贯背爆面;核心混凝土未破碎。此时柱的使用受到一定限制,经过维修加固后可以继续使用,支撑柱4A受到中度破坏。

2.2 不同支柱类型的抗爆性能差异

在相同装药形状和相同比例距离工况下,对抗风柱抗爆性能进行第5、6炮次试验,分别与3、4炮次试验结果进行对比,研究不同支柱类型钢筋混凝土支柱抗爆性能的差异。5、6炮次试验中钢筋混凝土柱的毁伤结果及毁伤情况分别如表4和表5所示。

表4 5、6炮次试验结果(迎爆中心区域)

表5 5、6炮次钢筋混凝土柱毁伤情况

由第5炮试验结果可以看出,5B柱受到明显的弯曲破坏;迎爆面混凝土保护层呈倒三角锥状破坏脱落;侧面的混凝土大量崩落,剩余混凝土表面有呈三角锥状的裂纹;背爆面混凝土两侧混凝土崩落长度大于中央区域;纵筋、箍筋暴露,但未受到到严重破坏;箍筋内部核心混凝土大量破碎,有向背爆面延伸的裂纹。此时柱难以通过维修加固继续使用,抗风柱5B受到重度破坏。

由第6炮试验结果可以看出,6B柱受到表面破坏,迎爆面中央带状区域混凝土没有破坏,仅两侧混凝土呈倒三角锥状崩落;背爆面未出现混凝土的破碎崩落,有横贯背爆面裂纹;纵筋及箍筋暴露,但没有明显的破坏;核心混凝土未发生破碎。此时柱需要一定维修加固方能继续使用,抗风柱6B受到中度破坏。

2.3 圆柱形装药对支撑柱的毁伤效果

采用圆柱形装药,测试了不同比例距离工况条件下支撑柱的毁伤情况。第1炮、第2炮分别对支撑柱造成了完全毁伤和重度毁伤。7～10炮次试验中钢筋混凝土柱的毁伤结果及毁伤情况分别如表6和表7所示。

表6 7～9炮次试验结果(迎爆中心区域)

表7 7～9炮次钢筋混凝土柱毁伤情况

由第7炮试验结果可看出,7A柱受到较为明显的弯曲破坏;迎爆面混凝土保护层呈倒三角锥状开坑破坏;侧面混凝土大量脱落,剩余混凝土表面可见倒三角锥状裂纹;背爆面混凝土保护层部分破碎崩落;部分纵筋、箍筋露出,但未受到明显破坏;箍筋内部核心混凝土破碎并出现裂纹。此时柱难以通过维修加固继续使用,支撑柱7A遭受到重度破坏。

由第8炮试验结果可看出,8A柱发生明显的表面破坏,迎爆中心位置有少量剩余位移;迎爆面混凝土呈倒三角锥状开坑破坏;侧面混凝土出现明显的破碎剥落,剩余混凝土表面出现裂纹;背爆面混凝土两侧破坏大于中央区域;纵筋及箍筋暴露,但未受到明显破坏;箍筋内部核心混凝土未发生破碎。此时柱经过维修加固仍能继续使用,支撑柱8A遭受中度破坏。

由第9炮试验结果可看出,9A柱受到明显的表面破坏。柱的损伤特征与8A相似,此时柱通过维修加固仍能继续使用,支撑柱9A受到中度破坏。

第10炮几乎未造成支撑柱的混凝土毁伤剥落,使用功能未受影响,毁伤程度为轻度毁伤,试验结果不再给出。

3 结果与讨论

3.1 钢筋混凝土柱破坏模式

钢筋混凝土柱在装药爆炸产物及冲击波作用下受压迅速变形弯曲,迎爆面混凝土材料因装药爆炸而承受巨大压力荷载出现压缩破坏,其两侧因临空面的存在,较中央区域更易破碎脱落;背爆面因柱的弯曲变形受到拉伸,抗拉强度较低的混凝土材料迅速出现拉伸断裂破坏,出现裂纹甚至混凝土破坏崩落,加之柱内部压缩应力波传至背爆面反射形成的强拉伸波,形成层裂效应,进一步造成背爆面及侧面混凝土的破碎崩落。随着比例距离的逐渐减小,钢筋混凝土柱的破坏模式逐渐由柱无明显剩余位移,侧面及背爆面保护层出现裂纹的表面破坏,逐渐转变为柱迎爆区域塑性变形严重,混凝土保护层大量破坏,箍筋内部核心混凝土出现不同程度破碎及裂纹,支柱出现剩余位移的弯曲破坏;最后转变为保护层及核心混凝土均严重破坏,柱脚、柱头发生剪切破坏,支柱整体发生明显弯曲变形的弯剪破坏。

3.2 装药形状对柱毁伤效果的影响

通过1A与2A、3A与4A柱毁伤结果的对比可以看出:近距离爆炸时,装药形状能够影响钢筋混凝土柱的毁伤效果,且圆柱形装药的毁伤效果大于球形装药,破坏程度差异如表8所示。

表8 钢筋混凝土柱破坏程度

破坏程度产生差异的原因是相同药量装药爆炸产生的总能量相同,而球形装药与圆柱形装药爆炸能量分布不同:球形装药的冲击波是同时向四面八方传播的,可认为能量均布于球面上;而在比例距离较小的范围内,可认为圆柱形装药的爆炸能量均布于与装药形状相似的圆柱体表面上,对于长径比较大的圆柱形装药其侧面面积远大于两端面面积之和,故炸药爆炸产生的能量也将集中分布于装药侧面方向。因此试验中圆柱形装药对钢筋混凝土支撑柱的毁伤效果更加明显。

3.3 钢筋混凝土支柱类型对毁伤效果的影响

表9 钢筋混凝土柱破坏程度

3.4 钢筋混凝土支撑柱的毁伤判据

表10 钢筋混凝土柱试验结果

3.5 破坏等级划分

为了判断钢筋混凝土支撑柱的破坏等级,在试验数据的基础上,采用支座转角θ作为划分依据,将支撑柱的破坏等级划分如下:θ<0.5°,轻度破坏,破坏形式为少量表面混凝土破坏,钢筋混凝土柱力学性质几乎未受影响,不影响其继续使用;0.5°≤θ<1.5°,中度破坏,钢筋混凝土柱迎爆位置开始出现剩余位移,侧面混凝土呈倒三角锥状破坏,背爆面出现裂纹,柱的承重能力有所降低,经简单维修可继续使用;1.5°≤θ<5°,重度破坏,混凝土材料遭受明显的弯曲破坏,纵筋、箍筋暴露并受到破坏,使用功能受到严重限制,承重能力难以通过维修恢复;θ≥5°,完全毁伤,核心混凝土破碎,箍筋散开,钢筋混凝土柱丧失使用功能。支座转角与破坏等级划分的关系如图5所示。

图5 钢筋混凝土柱的破坏等级Fig.5 Failure grade of reinforced concrete columns

4 结论

1)钢筋混凝土柱在装药近距离爆炸荷载作用下,随着比例距离的减小,柱的破坏程度逐渐增加,柱的破坏模式可分为表面破坏、弯曲破坏及弯剪破坏。

2)装药近距离爆炸时,装药形状能够显著影响对钢筋混凝土柱的毁伤效果,相同工况下圆柱形装药造成的破坏程度明显大于球形装药;支柱类型能够影响柱的毁伤程度,相同工况条件下,钢筋混凝土支撑柱的抗爆能力强于抗风柱。

4)采用支座转角θ作为钢筋混凝土柱破坏等级的划分依据:θ<0.5°,轻度破坏,钢筋混凝土柱力学性质几乎未受影响,不影响其继续使用;0.5°≤θ<1.5°,中度破坏,柱的承重能力有所降低,经简单维修可继续使用;1.5°≤θ<5°,重度破坏,柱使用功能受到严重限制,承重能力难以通过维修恢复;θ≥5°,完全毁伤,钢筋混凝土柱丧失使用功能。

但需注意的是,此次毁伤判据及破坏等级划分适用于本试验构件的研究,要获得普适性的毁伤判据,需要进行更多工况的试验研究,或结合理论推导或数值模拟的方法研究后提出。试验结果可为相应的理论分析及数值模拟研究提供参考和验证,为钢筋混凝土结构厂房连续性倒塌研究奠定基础。