钢筋混凝土柱抗爆性能研究

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发布时间：2021-09-13

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钢筋混凝土柱抗爆性能研究
许峰，朱升波
(1．浙江天地环保-r程有限公司．杭州310012； 2．浙江大学结构T程研究所．杭州310058)
【摘要】计算机计算能力的提高，使得混凝土结构在遭受爆炸等极端冲击荷载作用下复杂响应的高精度
模拟成为可能。本文采用流体动力学软件AUTODYN，考虑气体和结构间的流固耦合作用，对爆炸荷载作用下钢
筋混凝土柱的抗爆性能进行了数值模拟，通过不同的工况的比较，分析了钢筋混凝土柱的破坏模式。
【关键词】爆炸荷载；钢筋混凝土；冲击波；数值模拟
【中图分类号】TU352；0383 【文献标识码】B 【文章编号】1001—6864(2010)06—0011—002
AUTODYN是一个显式有限元分析程序，用以解
决固体、流体和气体及其相互作用的高度非线性动力
学问题。它提供很多高级功能，针对爆炸毁伤分析有
着独特的优势，具有深厚的军工背景。柱是钢筋混凝
土结构中重要的受力构件，当爆炸在柱表面发生时，这
种具有巨大能量的冲击作用将造成损伤和破坏，而柱
的破坏特别是框架结构中底层柱的失效可能导致整
体结构的连续坍塌。本文运用AUTODYN软件对爆炸
作用下钢筋混凝土柱的破坏模式进行了数值模拟，分
析比较了不同爆炸荷载下钢筋混凝土柱的破坏特征，
有助于建立重要建筑结构和防护工程结构的抗爆性
能评估方法。
1 数值模型
根据实际尺寸建立有限元数值分析模型，柱高为
4．0m，截面为0．4m×0．4m，纵筋采用4~p20，箍筋~p10，
间距为200mill，柱子两端固定，炸药置于离地面1．0m、
柱前1．0m处。空气采用Euler网格模拟，其中空气有
98，800个单元。本模型是分离式模型，把钢筋和混凝
土作为不同的单元处理，在爆炸荷载作用下，由于作用
的时间非常短暂，假定钢筋和混凝土之间的粘结是完
好的。混凝土和钢筋采用Lagrange网格来模拟，其中
混凝土单元数为551，960，纵筋为7，216，箍筋为2，
812，如图1所示。固定底部的空气来模拟地面反射，
其它面的空气定义为自由流出。在计算过程中，由于
混凝土单元的大变形会导致网格的扭曲，为解决网格
的大变形问题，模型中采用侵蚀算法(Erosion)处理，
这种算法将失效的混凝土单元tl动删除，避免了网格
扭曲造成的计算精度下降、计算步长变小等问题，当然
更避免了由于网格严重扭曲而产生的相交，出现负质
量而造成的计算终止。
2 材料模型
2．1 空气和炸药
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⋯ ：
P =( 一1)p／poE (1)
式中，P为气体压力；y是比热比．p表示空气的当
前密度；p0是初始时刻的空气密度；E为气体单位体积
的内能。
炸药采用经验的Jones—Wilkins—Lee，即 L状
态方程来描述爆轰过程中压力和相对体积的关系】：
P= (1一 )e +B(Z一 )e +
(2)
式中，P为爆炸产生的压力；V为压力为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；
相关爆炸实验来确定的材料常数。对于TNrI'炸药，P=
1630kg／m ，E=6．0×10 J／m ，A=3．737×10 GPa，B=
3．747GPa，Rl=4．15，R2=0．9，tO=0．35。
图1 钢筋混凝土柱的数值计算模型
2．2 钢筋
钢筋采用J—C模型[3】，该模型适合模拟材料在大
应变、高应变率下和高温情况下的力学性能。在爆炸
荷载作用下，混凝土结构中钢筋的应变率可以达到50
— 100s～。J—c本构模型可表示为：
= [A+曰g：][1+cln p／ ] (3)
式中，s 为等效塑性应变；为等效塑性应变率，
。为参考塑性应变率，取 =ls～。A表示屈服强度，