爆炸荷载作用下RC梁不同折合距离破坏的数值模拟

第２９卷第４期　吉林建筑工程学院学报　Ｖ０１．２９　Ｎｏ．４　Ａｕｇ．２０１２　２０１２年８月　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｊｉｌｉｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ＆Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　爆炸荷载作用下ＲＣ梁不同折合距离　破坏的数值模拟　许　超　常　凯２　（１：吉林建筑工程学院管理学院，长春１３０１１８；２：吉林建筑ｑ－程学院土木工程学院，长春１３０１１８）　摘要：梁在爆炸冲击荷载作用下的响应分析是典型的动力学问题，爆炸冲击荷载持续时间短，冲击波在构件中传播　迅速，对构件的局部破坏非常严重，因此对结构物的抗爆性能研究意义重大．本文利用有限元动力分析软件ＬＳ—　ＤＹＮＡ建立ＲＣ梁模型，对ＲＣ梁在爆炸荷载作用下不同折合距离的动力响应进行了数值模拟分析，为将来的实际　工程应用提供理论依据．　关键词：爆炸荷载；折合距离；有限元　中图分类号：ＴＵ　３７５　文献标志码：Ａ　文章编号：１００９—０１８５（２０１２）０４—０ｏ２２一ｏ３　Ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ　Ｌｏａｄ　ｉｎｔｏ　Ｓｃａｌｅｄｄｉｓｔａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　Ｃｏｎｃｒｅｔｅ　Ｂｅａｍ　Ｄｅｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｘｕ　Ｃｈａｏ　，ＣＨＡＮＧ　Ｋａｉ　（１：Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆＡｄｍｉｎｉｓｔｒａｉｏｎ，Ｊｉｌｉｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｆＡｒｏｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ，Ｃｈｉｎａ　１３０１　１８；　２：Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｊｉｌｉｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｆＡｒｏｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｅｅｒｎｉｎｇ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ，Ｃｈｉａ　１３０１ｎ　１８）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｅａｍ　ｕｎｄｅｒ　ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ　ｉｍｐａｃｔ　ｌｏａｄｉｎｇ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｉｓ　ｔｙｐｉｃａｌ　ｏｆ　ｄｙｎａｍｉｃｓ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ，ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ　ｉｍｐａｃｔ　ｌｏａｄｉｎｇ　ｔｉｍｅ　ｓｈｏｒｔ，ｓｈｏｃｋ　ｓｐｒｅａｄ　ｑｕｉｃｋｌｙ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ，ｍｅｍｂｅｒｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｌｏｃａｌ　ｄａｍａｇｅ　ｉｓ　ｖｅｒｙ　ｓｅｒｉｏｕｓ．Ｕｓｉｎｇ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｌｓ—ｄｙｎａ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｂｅａｍ　ｍｏｄｅｌ，ｆｏｒ　ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ　ｌｏａｄ　ｏｆ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｂｅａｍｓ　ｉｎｔｏ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｄｉｓｔａｎｃｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎａｌｙｓｉｓ，ｔｏ　ｐｒｏｖｉｄｅ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ｂａｓｉｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ　ｌｏａｄ；ｓｃａｌｅｄｄｉｓｔａｎｃｅ；ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　０　引言　近年来，世界范围内发生的恐怖爆炸袭击Ｅｔ益增加，恐怖爆炸袭击给人民的生命和财产造成了巨大的危　害，因此，工程人员对结构物的抗爆性能研究也越来越重视．目前，国内外对钢筋混凝土构件在爆炸荷载作用　下的破坏进行了许多研究¨　，取得了一些成果．爆炸荷载作用下，结构物的梁、板、柱、墙等均受到破坏作　用．从力学分析和安全性能分析来看，梁和柱是极为重要的构件，对钢筋混凝土结构的整体稳定性至关重要．　因此，对梁和柱的抗爆性能分析更为关键．本文以钢筋混凝土梁单独作用时的受力进行分析，未考虑梁在实　际工况中与柱和板的组合效应．运用非线性有限元动力分析软件ＬＳ—ＤＹＮＡ，对爆炸荷载作用下不同折合距　离对钢筋混凝土梁的破坏进行有限元数值模拟分析，为将来的工程应用提供理论依据．　爆炸的折合距离是指爆心到受冲击构件的距离与炸药ＴＮＴ当量的１／３次方的比值．即公式为　＝　：／ｗ，单位［ｍ／ｋｇ　］；Ｒ为受冲击目标到爆心的距离［ｍ］；Ｗ为标准ＴＮＴ炸药的质量［ｋｇ］．折合距离决定着　爆炸冲击波超压峰值的大小和正压作用时间的长短，对ＲＣ构件的破坏情况起关键作用　．　收稿日期：２０１２—０５—３０．　作者简介：许超（１９５７～），男，吉林省长春市人，教授，博士　第４期　许超，常凯：爆炸荷载作用下ＲＣ梁不同折合距离破坏的数值模拟　２３　１有限元模型建立　１．１模型简介　运用Ｉｓ—ＤＹＮＡ建立ＲＣ粱模型，梁尺寸为２００　ｍｍ×４００　ｍｍ×４　０００　ｍｉｌｌ，纵筋为４根直径１６　ｍｍ的二　级钢筋，箍筋直径为８　ｉｎｌｎ的一级钢筋，间距为１００　ｍｍ．混凝土采用三维固体单元ＳＯＬＩＤ　１６４，钢筋采用梁单　元ＢＥＡＭ　１６１．根据对称性，采用１／２模型进行有限元分析．　１．２参数设置　混凝土材料采用ＭＡＴ—ＣＯＮＣＲＥＴＥ—ＤＡＭＡＧＥ—ＲＥＬ　３模型，钢筋材料采用ＭＡＴ＿ＰＬＡＳＴＩＣ—ＫＩＮＥＭＡＴＩＣ　模型［５】．所选混凝土材料参数抗压强度４０　ＭＰａ；抗拉强度４　ＭＰａ；弹性模量３２．５　ＧＰａ；密度２　５００　ｋｇ／ｍ。；泊松　比０．２；钢筋参数密度７　８００　ｋｇ／ｍ　；泊松比０．３；屈服强度２３５　ＭＰａ；弹性模量２１０　ＧＰａ；强化模量２．１　ＧＰａ．钢　筋单元和混凝土单元共用节点，不考虑钢筋和混凝土之间的相对滑移（结构图形如图１，图２所示）．　图１结构网格图　图２钢筋布置图　２爆炸冲击波计算公式　２．１超压峰值计算公式　Ｊ．Ｈｅｎｒｙｃｈ公式：　超压峰值：　ＡＰ＋＝１４．０７１　７／Ｒ＋５．５３９　７／Ｒ　一０．３５／　。＋０．００６　２５／　（１）　适用范围为０．０５≤　≤Ｏ．３，单位［ｋｇ／ｃｍ　］　超压峰值：　ＡＰ　＝６．１９３　８／Ｒ一０．３２６／Ｒ　＋２．１３２　４Ｒ　（２）　适用范围为０．３≤　≤１，单位［ｋｇ／ｃｍ　］　超压峰值：　ＡＰ＋＝０．６６２／Ｒ＋４．０５／Ｒ　＋３．２８８　。　（３）　适用范围为１≤　≤１０，单位［ｋｇ／ｃｍ　］　２．２超压作用时间计算公式　萨多夫斯基公式：超压作用时间　ｔ＋＝Ｂ　Ｘ　１０　Ｂ＝１．０　（４）　２．３数值模拟计算　本文取标准ＴＮＴ炸药５０　ｋｇ，假设炸药距ＲＣ梁顶面爆炸距离分别为１．５　ｍ，２　Ｉｎ，３　ＩＴＩ，由折合距离公式，　Ｊ．Ｈｅｎｒｙｃｈ公式和萨多夫斯基公式，计算得到表１．　表１超压峰值和作用时间　吉林建筑工程学院学报　第２９卷　２．４计算结果分析　对不同折合距离下的超压峰值和作用时间分别计算分析，得到梁中截面节点竖向位移和时间历程曲线　（如图３一图５所示），节点Ａ到日依次为梁底面邻支座处到跨中的模型节点，通过对比图片可以看出，折合　距离不同，使得ＲＣ梁跨中节点竖向位移不同．　ＬＳ—ＤＹＮＡ　Ｏ　ＬＳ—ＤＹＮＡ　ＬＳ—ＤＹＮＡ　０　＼—　节点　＼ｊ　、　节点　Ａ　６８７　Ｂ　４０４６　节点　＼　—１０　Ａ　６８７　Ｂ　４０４６　Ｃ　２８Ｏ８　一２０　Ｄ　４８０７　Ｅ　３Ｏ７ｌ　ｌ００　Ｃ　２８０８　鎏一２００　—Ａ　Ｂ　Ｃ　Ｄ　Ｅ　Ｆ　Ｇ　Ｈ　，、　Ｄ　４８０７　＼弋　　　Ｅ　３０７１Ｆ　５０３７　３ｏ０　Ｆ　５０３７　—３０　Ｇ１０５２　Ｈ　３６０７　４Ｏ　４　Ｇ　１０５２　潍翠　一　一　一　Ｈ　３６ｏ７　４ｏ０　４　—６　８　ｌ０　ｌ２　４　６　８　１Ｏ　ｌ２　６　８　１Ｏ　ｌ２　时间　时间　时间　图３　＝０．４０７　　・图４　＝０．５４３　图５　＝０．８１４　３　结论　随着爆炸荷载折合距离的增加，ＲＣ梁底面节点的竖向位移在减小，对Ｒｃ梁的破坏就越小．由此可见，　折合距离对ＲＣ梁的稳定性起着关键作用．爆炸荷载的折合距离越小，冲击波正压作用时间越短，冲击波超　压峰值越大，梁跨中竖向位移越大，对ＲＣ梁的整体结构破坏性越强；反之，爆炸荷载的折合距离越大，冲击　波正压作用时间越长，冲击波超压峰值越小，梁跨中竖向位移越小，对ＲＣ梁的整体稳定性破坏越弱．　参考文　献　［１］孙建运．爆炸冲击荷载作用下钢骨混凝土柱性能研究［Ｄ］．上海：同济大学，２００６．　［２］柳锦春，方［３］方［４］杜秦，龚自明，范俊余．爆炸荷载作用下钢筋混凝土粱的动力响应及破坏形态分析［Ｊ］．爆炸与冲击，２００３，２３（１）：２５—３０　秦，柳锦春．爆炸荷载作用下钢筋混凝土梁破坏形态有限元分析［Ｊ］．工程力学，２００１，１８（２）：ｌ一８．　林，石少卿，张湘冀，黄翔宇．钢管混凝土短柱内部抗爆炸性能的有限元数值模拟［Ｊ］．重庆大学学报，２００４，２７（１０）：１４２—１４４　［５］ＬＳ—ＤＹＮＡ　Ｋｅｙｗｏｒｄ　ｕｓｅｒ’Ｓ　ｍａｎｕａｌ（９７０ｖ）［Ｍ］．Ｌｉｖｅｒｍｏｒｅ　Ｓｏｆｔｗａｒｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，２００３：５８—６７