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摘 要:爆炸荷载可能导致框架结构出现连续倒塌,为研究结构物整体的抗爆性能,本文采用AUTODYN对钢筋混凝土框架结构在爆炸荷载作用下的破坏过程进行了数值模拟,模型考虑了炸药-空气-结构之间的流固耦合相互作用,分析了框架结构的破坏机理,模拟结果较合理地展现了框架结构的损伤过程。
关键词:爆炸荷载 冲击波 峰值超压 框架结构 数值模拟
中图分类号:TU7 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2012)04(b)-0013-02
国内外爆炸事件的频繁发生,以及其带来的大量人员伤亡和财产损失,使研究人员和工程设计人员对建筑结构抗爆性能的研究越来越多,但大多数研究局限于钢筋混凝土结构构件,如梁、板和柱等在爆炸荷载作用下的动力响应及损伤机理,对于整体框架结构的损伤破坏方面的研究较少。本文运用AUTODYN软件对爆炸荷载作用下框架结构的损伤过程进行了数值模拟,分析了结构的破坏机理,以期为钢筋混凝土框架结构的抗爆性能评估及抗爆防护提供参考。
1 数值模型
根据实际尺寸建立钢筋混凝土框架的有限元数值分析模型,层高4.0m,长度方向柱距6.0m,钢筋混凝土柱截面尺寸为400mm×400mm,梁截面尺寸为200mm×500 mm,柱脚假设固接于地面。钢筋混凝土框架采用整体式模型,用Lagrange网格进行模拟,单元总数为262,600;空气采用Euler-FCT算法,单元数为168,000,空气边界面设为物质流出。在建模时将结构简化,忽略外围护结构对倒塌模拟的影响。炸药采用当量TNT,爆心位置距长度方向中间柱外边缘1.0m,距地面高度1.0m。
2 材料模型
2.1 空气的材料模型
在数值模拟中,通常将空气假定为理想气体,其性能一般采用线性多项式的状态方程来描述,根据Gama准则,其可以表示为: (1)
式中:P为气体压力,是比热比,ρ表示空气的当前密度,是初始时刻的空气密度,E为气体单位体积的内能。
2.1 炸药的材料模型
对于不同炸药爆炸的数值模拟,一般采用经验的Jones-Wilkins-Lee,即JWL状态方程来描述炸药爆轰过程中压力和内能及其相对体积的关系[8],
(2)
式中:P为爆炸产生的压力;V为单位体积装药产生的爆轰产物的体积,即压力为P时的体积与初始体积的比值;E是爆轰产物单位体积的内能;A,B,R1,R2和ω是由相关爆炸实验来确定的材料常数。对于TNT炸药,密度为1630kg/m3,单位体积的内能为6.0×109J/m3,其相关参数为,A=3.737×102GPa,B=3.747 GPa,R1=4.15,R2=0.9,ω=0.35。
2.3 钢筋混凝土的材料模型
一般钢筋混凝土结构钢筋布置密集,建立钢筋与混凝土材料的分离模型较为复杂,而且由于计算机能力的限制,建立分离式模型将导致单元数目过大而无法计算,因此采用整体式模型建立框架结构。在整体式模型中,将钢筋弥散于整个单元中,并把单元看作为连续均匀材料,通过提高混凝土的抗拉强度来增加单元整体的抗拉性能。材料本构关系采用Von-Mises屈服准则,具体参数见表1。
3 数值模拟结果分析
爆炸冲击波的杀伤和破坏作用主要取决于峰值超压的大小及持续时间,也就是爆炸冲击波的冲量大小。分别在1～3层柱子中间定义测点1、测点2和测点3,如图3(a)所示,得到迎爆面柱子各测点上的超压时程曲线,由图1可知,峰值超压衰减迅速,仅能影响有限范围内的柱子,这跟炸药量的大小和爆心的位置有关。图2为顶层楼面中心的竖向振动速度,由图可知,顶层楼面在爆炸冲击波的作用下向下运动,出现向下的位移。
图3(a-f)显示了钢筋混凝土框架结构的破坏过程,分别为0,4,10,20,30,40ms时的损伤图。爆炸刚发生时,靠近爆心的底层柱在强大的爆炸冲击波作用下,首先在柱脚和柱顶发生混凝土的冲剪破坏,随着柱子端部约束的减弱,上层楼板失去支撑,梁板构件产生应力重分布,使楼板裂缝增多,由于底层柱破坏最严重,导致第二层楼板破坏较严重,其余各层损伤程度较轻;爆炸冲击波结束后,在惯性作用下结构继续发生位移,部分承重柱的失效导致结构重心偏移,建筑物整体在自重作用下破坏加剧,上层楼板相继在薄弱位置出现裂缝。因此,承重柱的抗爆性能直接影响整体结构的破坏,应加强柱子上下两端特别是柱脚的抗冲切能力,防止柱端首先发生失效,避免结构的连续倒塌。
4 结语
本文采用AUTODYN软件对爆炸荷载作用下钢筋混凝土框架的动力响应及破坏机理进行了数值模拟分析,结果表明,钢筋混凝土框架在爆炸荷载作用下,底层柱两端在爆炸荷载作用下首先发生冲剪破坏,使柱上楼板失去支撑,柱上梁板构件间产生应力重分布,引起结构重心偏移,建筑物整体在自重作用下破坏。
參考文献
[1] XU Kai,LU Yong.Numerical simulation study of spallation in reinforced concrete plates subjected to blast loading. Computers & Structures,2005.
[2] 阎石,王丹,张亮,孙静.爆炸荷载作用下钢筋混凝土柱损伤FEM分析[J].工程力学,2008.
[3] 龚顺风,金伟良,何勇.内部爆炸荷载作用下钢筋混凝土板的动力响应研究[J].振动工程学报,2008.
关键词:爆炸荷载 冲击波 峰值超压 框架结构 数值模拟
中图分类号:TU7 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2012)04(b)-0013-02
国内外爆炸事件的频繁发生,以及其带来的大量人员伤亡和财产损失,使研究人员和工程设计人员对建筑结构抗爆性能的研究越来越多,但大多数研究局限于钢筋混凝土结构构件,如梁、板和柱等在爆炸荷载作用下的动力响应及损伤机理,对于整体框架结构的损伤破坏方面的研究较少。本文运用AUTODYN软件对爆炸荷载作用下框架结构的损伤过程进行了数值模拟,分析了结构的破坏机理,以期为钢筋混凝土框架结构的抗爆性能评估及抗爆防护提供参考。
1 数值模型
根据实际尺寸建立钢筋混凝土框架的有限元数值分析模型,层高4.0m,长度方向柱距6.0m,钢筋混凝土柱截面尺寸为400mm×400mm,梁截面尺寸为200mm×500 mm,柱脚假设固接于地面。钢筋混凝土框架采用整体式模型,用Lagrange网格进行模拟,单元总数为262,600;空气采用Euler-FCT算法,单元数为168,000,空气边界面设为物质流出。在建模时将结构简化,忽略外围护结构对倒塌模拟的影响。炸药采用当量TNT,爆心位置距长度方向中间柱外边缘1.0m,距地面高度1.0m。
2 材料模型
2.1 空气的材料模型
在数值模拟中,通常将空气假定为理想气体,其性能一般采用线性多项式的状态方程来描述,根据Gama准则,其可以表示为: (1)
式中:P为气体压力,是比热比,ρ表示空气的当前密度,是初始时刻的空气密度,E为气体单位体积的内能。
2.1 炸药的材料模型
对于不同炸药爆炸的数值模拟,一般采用经验的Jones-Wilkins-Lee,即JWL状态方程来描述炸药爆轰过程中压力和内能及其相对体积的关系[8],
(2)
式中:P为爆炸产生的压力;V为单位体积装药产生的爆轰产物的体积,即压力为P时的体积与初始体积的比值;E是爆轰产物单位体积的内能;A,B,R1,R2和ω是由相关爆炸实验来确定的材料常数。对于TNT炸药,密度为1630kg/m3,单位体积的内能为6.0×109J/m3,其相关参数为,A=3.737×102GPa,B=3.747 GPa,R1=4.15,R2=0.9,ω=0.35。
2.3 钢筋混凝土的材料模型
一般钢筋混凝土结构钢筋布置密集,建立钢筋与混凝土材料的分离模型较为复杂,而且由于计算机能力的限制,建立分离式模型将导致单元数目过大而无法计算,因此采用整体式模型建立框架结构。在整体式模型中,将钢筋弥散于整个单元中,并把单元看作为连续均匀材料,通过提高混凝土的抗拉强度来增加单元整体的抗拉性能。材料本构关系采用Von-Mises屈服准则,具体参数见表1。
3 数值模拟结果分析
爆炸冲击波的杀伤和破坏作用主要取决于峰值超压的大小及持续时间,也就是爆炸冲击波的冲量大小。分别在1～3层柱子中间定义测点1、测点2和测点3,如图3(a)所示,得到迎爆面柱子各测点上的超压时程曲线,由图1可知,峰值超压衰减迅速,仅能影响有限范围内的柱子,这跟炸药量的大小和爆心的位置有关。图2为顶层楼面中心的竖向振动速度,由图可知,顶层楼面在爆炸冲击波的作用下向下运动,出现向下的位移。
图3(a-f)显示了钢筋混凝土框架结构的破坏过程,分别为0,4,10,20,30,40ms时的损伤图。爆炸刚发生时,靠近爆心的底层柱在强大的爆炸冲击波作用下,首先在柱脚和柱顶发生混凝土的冲剪破坏,随着柱子端部约束的减弱,上层楼板失去支撑,梁板构件产生应力重分布,使楼板裂缝增多,由于底层柱破坏最严重,导致第二层楼板破坏较严重,其余各层损伤程度较轻;爆炸冲击波结束后,在惯性作用下结构继续发生位移,部分承重柱的失效导致结构重心偏移,建筑物整体在自重作用下破坏加剧,上层楼板相继在薄弱位置出现裂缝。因此,承重柱的抗爆性能直接影响整体结构的破坏,应加强柱子上下两端特别是柱脚的抗冲切能力,防止柱端首先发生失效,避免结构的连续倒塌。
4 结语
本文采用AUTODYN软件对爆炸荷载作用下钢筋混凝土框架的动力响应及破坏机理进行了数值模拟分析,结果表明,钢筋混凝土框架在爆炸荷载作用下,底层柱两端在爆炸荷载作用下首先发生冲剪破坏,使柱上楼板失去支撑,柱上梁板构件间产生应力重分布,引起结构重心偏移,建筑物整体在自重作用下破坏。
參考文献
[1] XU Kai,LU Yong.Numerical simulation study of spallation in reinforced concrete plates subjected to blast loading. Computers & Structures,2005.
[2] 阎石,王丹,张亮,孙静.爆炸荷载作用下钢筋混凝土柱损伤FEM分析[J].工程力学,2008.
[3] 龚顺风,金伟良,何勇.内部爆炸荷载作用下钢筋混凝土板的动力响应研究[J].振动工程学报,2008.