近爆荷载作用下钢筋混凝 土板的损伤分析 朱升波 ， 夏 谦 (浙江大学结构工程研究所 。 杭 州 310058) 【摘 要】 对于重要建筑结构的抗爆性能评估，通常需要用合适的计算方法进行直接的数值模拟。为研究 钢筋混凝 土板 的抗爆 能力 ，本文采用 AUTO—DYN软件对钢 筋混凝土板进行 了数值模拟 。研究结果 表明 ：采用 流 固耦合数值模拟方法较合理地展现 了钢筋混凝土板的开裂过程 ；在 2kg炸药爆 炸荷 载作用下 ，钢筋混 凝土板将发 生震塌破坏 ，危 害结构 内人员 的安全。 【关键词】 爆炸荷载；钢筋混凝土板；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)08—0o62—02 爆炸作 用下 钢 筋 混凝 土结 构 的损 伤 主要取 决 于炸 药 量、爆炸距离和混凝土结构构件的 自身特性。针对钢筋混 凝土板 在 爆 炸 作 用 下 的 动 力 响应 问题 国外 已有 较 多研 究 _】．4]，但对于近爆区爆炸破 坏作用方 面的研究较少 ，而且 多数在处理爆炸荷 载 时都 将其 简化为 双直线 的形式 ，与 实 际的时程 曲线 差 异较 大。Zhou．X．Q等 引入 塑性 损伤模 型 ，采用数值 模拟 的方法 预测 了钢筋 混凝 土板 和高 强 钢纤 维混凝土板在爆炸荷载作用 下的动力响应 。XuKai等 通 过建立钢筋混凝土板的三维数值模型，分析了在不同炸药 量和构件形式下钢筋混凝 土板 的震 塌标准 ，但 其使用 CON— WEP算法对板 面加载爆炸 波作 用 ，忽 略了结构构 件刚 度的 影 响 ，在近爆 情况 下将 会带 来较 大 的偏 差。 由于开展爆 炸 荷载作用下结构的抗爆能力 研究 ，不仅试验 费用 很高 ，而且 存在一定 的危 险性 和环境 影响 ，测量 也 比较 困难 。而 有限 元分析方法可 以模拟结构 的受力性 能和破坏过程 ，因此 ，进 行爆 炸荷 载作用下混凝 土结构的数值 模拟对其加 固研究具 有重要的现实意义和社会价值 ，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。本文运用 AUTO— DYN软件对爆炸荷载作用 下钢筋混凝 土板 的动力响应 和破 坏模式进行数值模拟，同时考虑空气和钢筋混凝土板之间 的流固耦 合 作用 ，得 到 钢 筋混 凝 土 板 的动 力 响应 和破 坏 模式。 1 数 值模 型 在数值模拟中，板的净尺寸为 1．3m×1．0m×0．12m， 钢筋直径 10mm，纵向受力钢筋间距为 100mm，分布钢筋间 距为 120mm，双层双 向布置 ，如图 1所示 。炸药置于距 板顶 面中心 0．6m高度处 。钢筋 混凝土板 的两个长边 自由 ，短边 采用简支约束 ，以此 模 拟单 向板 的工作状 态。钢筋 和混凝 土均采用 Lagrange网 格 进 行 建模 ，其 中 混 凝 土 单 元 数 为 166，425，钢筋 为 4，570。空气采用 Euler—FCT算法 ，边 界面 设为物质流 出。在 爆 炸荷 载作 用下 ，由于作 用的 时问非 常 短 ，通常可 以假定钢筋 和混 凝土之 间的粘结是完好 的 ，同时 为解决网格的大 变形 问题 ，模 型 中采 用侵蚀 算法 (Erosion) 处理 ，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 。 图1 钢筋布置 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 = (y—I)pE／p0 (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 JWL状 态方 程来描述爆轰过程中压力和相对体积的关系。 P=A(1一 )e +曰(1一 )e +taE (2) 式中，P为爆炸产生的压力；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 TNT炸药 ，p =1630kg／m ，E = 6．0 X 10 J／m ，A = 3．737 ×10 GPa，B =3．747 GPa，R1= 4．15，R2 = 0．9， = 0．35。 2．2 钢筋 钢筋采用 J—C模型 ，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 【引。 图 3显示 了应变率 为 100S 时钢筋的应力应 变关 系。该材 料本构模 型可表示为 ： = [A+ s：][1+Cln ] (3) 0 式中， 为等效塑性应变， 为等效塑性应变率，。为 参 考塑性应变率 ，取 =1s～。A表示屈服强度 ，C为应变率 敏感参数 ，A=300MPa，B =384MPa，，l=0．26，C=0．

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