超高性能混凝土柱的抗爆性能研究

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1、田慧等：超高性能混凝土柱的抗爆性能研究51超高性能混凝土柱的抗爆性能研究田慧，張海，徐慎春，郭翰林(1．天津城市建設(shè)管理職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系，天津300134；2．天津城建大學(xué)土木工程學(xué)院．天津300384)【摘要】以超高性能混凝土柱為研究對(duì)象，利用非線性有限元顯式動(dòng)力分析軟件Ls—DYNA，建立精細(xì)數(shù)值分析模型，研究爆炸荷載作用下UHPC柱的動(dòng)力響應(yīng)。研究結(jié)果表明：爆炸過程中，柱端與柱中首先出現(xiàn)損傷，且柱中彎矩產(chǎn)生時(shí)間滯后于柱端剪力產(chǎn)生時(shí)間，因此提高柱中抗彎能力和柱端抗剪能力是提高其抗爆能力的重要手段。【關(guān)鍵詞】爆炸荷載；U

2、HPC；動(dòng)力響應(yīng)；損傷破壞；數(shù)值模擬【中圖分類號(hào)】TU375．3【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】B【文章編號(hào)】1001—6864(2014)07—0051—03近些年來強(qiáng)烈地震、海嘯和恐怖襲擊以及日常生擬。在有限元模型中建立了柱頭和柱腳，如圖1所示，產(chǎn)生活中的意外爆炸事故引起了人們的關(guān)注，嚴(yán)重威柱頭和柱腳四周水平方向的位移被約束，柱腳底面豎脅人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。由于爆炸荷載的傳播速度直方向的位移被約束。此外，為了更加真實(shí)的模擬實(shí)極快、沖量大同時(shí)加上混凝土材料性質(zhì)復(fù)雜，從而使際建筑中柱結(jié)構(gòu)在受到意外爆炸荷載作之前的受力得鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)或構(gòu)件爆炸動(dòng)力

3、性能比一般動(dòng)力狀態(tài)，采用LS—DYNA中的動(dòng)力釋放算法來對(duì)柱進(jìn)行性能復(fù)雜得多。國內(nèi)外對(duì)爆炸荷載作用下的鋼筋混應(yīng)力初始化，然后再通過施加爆炸荷載來分析柱在受凝土爆炸性能的研究較多，如Sun【l等研究了鋼骨混到爆炸荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)。凝土柱的爆炸動(dòng)力特性，得出三種破壞模式。魏雪英研究了爆炸荷載作用下混凝土和磚砌體材料及其結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)?？v觀國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，學(xué)者多著眼于普通鋼筋混凝土構(gòu)件而對(duì)超高性能混凝土的抗爆炸波方向暴性能研究甚少。文中以超高性能混凝土柱為研究對(duì)象，采用大型通用有限元軟件I_S—DYNA分析其在爆炸荷載作用下的非線

4、性動(dòng)力特性。研究得出超高性能混凝土柱在爆炸荷載作用的典型動(dòng)力性能和破壞模式。1模型建立1．1有限元模型選取典型超高性能鋼筋混凝土柱，柱寬b=(a)UHPC(b)uHPC鋼筋柱(c)柱截面尺寸200mm，柱深h=200mill，柱高H=2500mill，超高性柱外形分離式模型能混凝土軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值=160MPa，縱筋配圖1鋼筋混凝土柱的有限元模型筋率P=0．005，箍筋配箍率P=0．005。根據(jù)上述指標(biāo)，抽象出超高性能混凝土柱，利用大型通用軟件LS1．2材料本構(gòu)關(guān)系選擇—DYNA，建立分離式有限元模型，如圖1所示。圖有限元模型

5、中鋼筋采用雙線性彈塑性模型，均采中，b為柱迎爆面寬度即柱寬；h為柱截面高度即柱用低合金超高強(qiáng)度鋼，縱筋材料模型參數(shù)為：密度為深；a為混凝土保護(hù)層厚度；為柱凈高；s。、s為箍7830kg／m，彈性模量為20GPa，屈服強(qiáng)度為1080MPa筋間距。泊松比為0．28；箍筋材料模型參數(shù)：密度為7830網(wǎng)格劃分對(duì)有限元分析有著顯著的影響，通過不kg／m，彈性模量為20GPa，屈服強(qiáng)度為500MPa，泊松斷嘗試劃分網(wǎng)格驗(yàn)證計(jì)算的斂散性，最終確定采用比為0．28。10ram的單積分點(diǎn)正六面體單元對(duì)模型進(jìn)行劃分網(wǎng)混凝土在爆炸荷載作用下會(huì)經(jīng)受大應(yīng)

6、變率作用，格。其中縱向鋼筋及箍筋均采用10ram梁單元進(jìn)行模應(yīng)變率高達(dá)10～s～～lO00s～。其中應(yīng)變率即材料變[基金項(xiàng)目]天津市應(yīng)用基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計(jì)劃(12JCQNJC05300)；天津市中青年骨干創(chuàng)新人才培養(yǎng)計(jì)劃；國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃52低溫建筑技術(shù)2014年第7期(總第193期)形速度的一種度量，是應(yīng)變對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)。材料的應(yīng)受迫振動(dòng)階段，柱端剪力為質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)所產(chǎn)生應(yīng)力的宏變率效應(yīng)通常采用某一應(yīng)變率下動(dòng)力強(qiáng)度與靜力強(qiáng)觀表現(xiàn)。0．4ms以后柱端剪力呈現(xiàn)出波浪狀起伏狀度的比值DIF來表示。UHPC強(qiáng)度的DIF采用K&

7、C態(tài)，峰值逐漸減小。因此可以認(rèn)為這一階段為柱的自模型。在K&C模型中，混凝土的抗拉與抗壓動(dòng)力增大由振動(dòng)階段，其動(dòng)力反應(yīng)由其自由振動(dòng)特征決定。系數(shù)采用不同的計(jì)算公式。混凝土抗拉強(qiáng)度動(dòng)力增大系數(shù)由公式(1)、(2)確定：：f-肌M肌M?／√＼TDIF==(1d≤ls(1)6他：b、／【

8、r·l／3TDIF=J=盧()≥ls(2)拓、S6，式中，為應(yīng)變率為時(shí)混凝土動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度；時(shí)間／ms為應(yīng)變率(=10s)時(shí)混凝土的靜力抗拉圖2柱端截面剪力時(shí)程曲線強(qiáng)度；log8=68—2，其中占=1／(1+。／廠。。)，廠=10MPa，廠為混凝土靜力

9、單軸抗壓強(qiáng)度?；炷量箟簞?dòng)力增大系數(shù)由公式(3)、(4)確定：z欷目．z靜，·lf26~CDIF==(1d≤30s(3)c·、S怕，裟。，．CDIF=Jed=()十d>30s(4)c

10、式中，厶為應(yīng)變率為時(shí)混凝土的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度；廠衄為應(yīng)變率為。。(=30×10一s