謝志英，譚繼可 （長江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北 荊州434023）

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，高層、超高層建筑越來越普遍，而型鋼混凝土構(gòu)件具有承載力大、抗震性能好等特點(diǎn)［1］，越來越多的鋼－混凝土組合結(jié)構(gòu)被應(yīng)用在高層建筑中去。近些年，建筑物由于爆炸作用而發(fā)生倒塌現(xiàn)象時(shí)常發(fā)生，汽車撞擊爆炸、化學(xué)品爆炸等都屬于爆炸范疇。由于作用時(shí)間短，對結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生了巨大的沖擊力，對建筑物造成了嚴(yán)重的破壞甚至連續(xù)性倒塌，對人類的生命安全構(gòu)成的嚴(yán)重的威脅，因此，如何提高建筑物的抗爆性能的研究一直是工程界熱門課題之一［2－8］。研究爆炸荷載作用下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，可以分析其破壞形態(tài)和相關(guān)影響因素，對結(jié)構(gòu)的抗爆性能研究具有重要參考價(jià)值。為此，筆者基于大型有限元軟件ABAQUS對爆炸荷載作用下型鋼混凝土柱動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了分析。

1 模型尺寸及相關(guān)參數(shù)

為研究爆炸荷載作用下型鋼混凝土柱的動(dòng)力響應(yīng)，設(shè)計(jì)如圖1所示模型。采用如圖2所示的作為時(shí)間函數(shù)的壓力荷載［9］（實(shí)際作用的爆炸載荷幅值為兩者的乘積）?；炷翉?qiáng)度等級為C30，鋼材均采用一級鋼，鋼筋保護(hù)層厚度為20mm，型鋼保護(hù)層厚度為50mm。

圖1 模型詳圖及配筋信息圖

圖2 作為時(shí)間函數(shù)的壓力荷載圖

2 有限元模型

根據(jù)有限元模型，混凝土采用8節(jié)點(diǎn)縮減積分三維實(shí)體單元C3D8R，鋼筋和箍筋均采用三維2節(jié)點(diǎn)Truss單元T3D2；型鋼采用4節(jié)點(diǎn)縮減積分三維殼體單元S4R；混凝土采用損傷塑性本構(gòu)模型，混凝土拉、壓強(qiáng)度、損傷和變形之間的關(guān)系如圖3、圖4所示［10］，彈性模量E＝3.1×1010Pa，泊松比0.2。鋼材采用彈塑性硬化本構(gòu)模型：應(yīng)力為3.0×108Pa，塑性應(yīng)變?yōu)?；應(yīng)力為3.75×108Pa時(shí)，塑性應(yīng)變?yōu)?.1，鋼材彈性模量E＝2.1×1011Pa，泊松比0.3。

圖3 混凝土抗拉強(qiáng)度、損傷與變形之間的關(guān)系圖

圖4 混凝土抗壓強(qiáng)度、損傷與變形之間的關(guān)系圖

在定性分析爆炸荷載作用下型鋼混凝土柱的動(dòng)力響應(yīng)時(shí)，為減少計(jì)算量而又不影響結(jié)果，對實(shí)際模型進(jìn)行簡化處理，數(shù)值分析中不考慮鋼筋和型鋼與混凝土之間的連結(jié)滑移，采用 “embed”技術(shù)［11］將鋼筋和型鋼嵌入混凝土中，這2種材料之間不發(fā)生相對滑動(dòng)。型鋼、鋼筋和混凝土有限元模型如圖5所示。

3 型鋼混凝土柱動(dòng)力響應(yīng)分析

3.1 不同壓力荷載下柱動(dòng)力響應(yīng)

不同壓力荷載值作用時(shí)型鋼混凝土柱端位移響應(yīng)曲線圖如圖6所示。從圖6可以看出，隨著基本壓力荷載的增大，型鋼混凝土柱端位移幅值也隨著增大，達(dá)到位移最大值所用的時(shí)間也在增加，但其振動(dòng)形態(tài)并沒有改變，只是對其振動(dòng)位移幅值有影響。

圖6 不同壓力荷載下柱響應(yīng)曲線圖

圖7 不同邊界條件下的柱響應(yīng)曲線圖

3.2 不同邊界條件下的柱動(dòng)力響應(yīng)

不同邊界條件下的柱跨中節(jié)點(diǎn)位移時(shí)程曲線圖如圖7所示。從圖7可以看出，在相同的爆炸荷載作用下，與一端固結(jié)的柱相比，兩端固結(jié)的柱幾乎沒有發(fā)生位移，這樣對柱兩端進(jìn)行位移約束可以較好地減少柱跨中位移幅值，可以有效避免因爆炸荷載作用引起柱大變形而發(fā)生的破壞作用，從而可以提高結(jié)構(gòu)柱的防爆性能。

3.3 不同箍筋間距下的柱動(dòng)力響應(yīng)

圖8 不同箍筋間距下的柱響應(yīng)曲線圖

圖9 不同型鋼截面下的柱響應(yīng)曲線圖

不同箍筋間距下的柱響應(yīng)曲線圖如圖8所示。從圖8可以看出，提高混凝土結(jié)構(gòu)的配箍率可以適當(dāng)降低柱端位移幅值，減少柱的破壞程度。這是由于混凝土是抗拉性能較差的材料，易發(fā)生脆性破壞，箍筋可以較好的對混凝土施加環(huán)向壓力，可以較好的協(xié)同型鋼與混凝土的相互作用，適當(dāng)提高了柱子的剛度，在爆炸荷載作用下的位移幅值有所降低。因此，適當(dāng)提高型鋼混凝土構(gòu)件的配箍率，可以降低爆炸荷載對柱的破壞程度，提高其抗爆性能。

3.4 不同型鋼截面下的柱動(dòng)力響應(yīng)

為研究不同型鋼截面對柱動(dòng)力響應(yīng)的影響，保證其他條件不變，分析了3種型鋼截面尺寸：翼緣厚度h＝0.008m、0.010m、0.012m，對應(yīng)的腹板厚度為：t＝0.006m、0.008m、0.010m。不同型鋼截面下的柱響應(yīng)曲線圖如圖9所示。箍筋間距分別為100mm和200mm。從圖9可以看出，隨著型鋼截面面積的增加，型鋼混凝土柱的剛度增加，可以較好的減少爆炸荷載作用下柱的位移幅值。同時(shí)，隨著型鋼面積的增加，柱的延性也適當(dāng)?shù)奶岣?，也增加了柱的耗能能力，這有利于提高其抗爆能力。

4 結(jié)論

（1）不同爆炸荷載幅值下柱的響應(yīng)性能基本相同，僅僅對位移幅值有大的影響。

（2）適當(dāng)提高型鋼混凝土柱的配箍率和型鋼截面可以降低柱的位移幅值，同時(shí)提高配箍率和型鋼截面可以提高柱的延性，增加其耗能富余，從而改善其防爆性能。

（3）由于型鋼混凝土結(jié)構(gòu)柱延性較鋼筋混凝土柱要好，在發(fā)生較大位移后并沒有完全喪失其承載能力，在研究時(shí)不能僅僅通過型鋼混凝土柱的位移響應(yīng)時(shí)程曲線來判斷型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的損傷程度，而要綜合考慮其剩余承載力等因素后才能進(jìn)行判定。

［1］鄭山鎖，曾磊 .型鋼高強(qiáng)高性能混凝土框架節(jié)點(diǎn)抗震性能試驗(yàn)研究 ［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào).2008，29（3）：128－135.

［2］孫建運(yùn) .爆炸沖擊荷載作用下鋼骨混凝土柱性能研究 ［D］.上海：同濟(jì)大學(xué)，2006.

［3］張秀華，張春巍，段忠東 .爆炸荷載作用下鋼框架柱沖擊響應(yīng)與破壞模式的數(shù)值模擬 ［J］.沈陽建筑大學(xué)學(xué)報(bào) （自然科學(xué)版），2009，25 （4）：656－662.

［4］馮紅波 .爆炸荷載作用下鋼管混凝土柱的動(dòng)力響應(yīng)研究 ［D］.西安：長安大學(xué)，2008.

［5］Mainstone R J.The hazard of internal blast in buildings ［J］.Building Research Establishment，1971，19 （8）：156－161.

［6］Song L，Izzuddin B A，Elnashai A S，et al.An integrated adaptive environment for fire and explosion analysis of steel frames－part 1：analytical models ［J］.Journal of Constructional Steel Research，2000，53：63－85.

［7］Izzuddin B A，Song L，Elnashai A S，etc.An integrated adaptive environment for fire and explosion analysis of steel frames－part 2：verification and application ［J］.Journal of Constructional Steel Research，2000，53：87－100.

［8］Tan S.Cable－based retrofit of steel building floors to prevent progressive collapse ［J］.Master paper of University of California in Berkeley，2003，4：37－45.

［9］莊茁，由小川 .基于ABAQUS的有限元分析和應(yīng)用 ［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2009.

［10］張勁，王慶揚(yáng)，胡守營，等.ABAQUS混凝土損傷塑性模型參數(shù)驗(yàn)證 ［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2008，38（8）：127－130.

［11］王玉鐲，傅傳國.ABAQUS結(jié)構(gòu)工程分析及實(shí)例詳解 ［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.