孫 艷,沈 杉

(武漢科技大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院,武漢 430065)

爆炸荷載作用下框架結(jié)構(gòu)的薄弱部位分析

孫 艷,沈 杉

(武漢科技大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院,武漢 430065)

采用通用有限元軟件SAP2000模擬鋼筋混凝土框架在不同部位受到爆炸荷載作用的動(dòng)力響應(yīng)過程,并對(duì)荷載作用相應(yīng)部位梁柱節(jié)點(diǎn)的位移進(jìn)行對(duì)比分析。分析結(jié)果表明,荷載作用于角柱所在邊跨引起的梁柱節(jié)點(diǎn)位移均大于荷載作用于中跨的梁柱節(jié)點(diǎn)位移。說明爆炸荷載對(duì)框架結(jié)構(gòu)的影響與荷載作用部位密切相關(guān),邊跨動(dòng)力響應(yīng)大于中跨,而邊跨中的角柱更是結(jié)構(gòu)抗爆設(shè)計(jì)關(guān)鍵構(gòu)件。

爆炸荷載; 框架結(jié)構(gòu); 動(dòng)力響應(yīng); SAP2000

鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)在役期間,除承受準(zhǔn)靜態(tài)荷載以外,還有可能承受偶然的強(qiáng)沖擊作用,比如爆炸。然而國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)規(guī)范[1]并沒有關(guān)于結(jié)構(gòu)抗爆設(shè)計(jì)的要求,這就使得現(xiàn)有建筑的抗爆儲(chǔ)備極為有限甚至沒有。一旦遭遇這種高強(qiáng)度偶然荷載,必然對(duì)人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全造成巨大的威脅。因此,研究框架結(jié)構(gòu)在爆炸荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)具有重要的實(shí)際意義,特別是對(duì)于結(jié)構(gòu)薄弱部位的確定,更能為結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

近年來,國(guó)內(nèi)外對(duì)于爆炸沖擊作用下的混凝土本構(gòu)關(guān)系、結(jié)構(gòu)構(gòu)件的動(dòng)態(tài)響應(yīng)已進(jìn)行了許多研究[2-4],但是由于問題的復(fù)雜性,目前對(duì)于整個(gè)框架結(jié)構(gòu)在爆炸荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)研究還較少。該文基于有限元分析軟件SAP2000,模擬爆炸荷載作用于結(jié)構(gòu)不同部位時(shí)空間鋼筋混凝土框架的動(dòng)力響應(yīng),著重對(duì)梁柱節(jié)點(diǎn)的位移變形進(jìn)行對(duì)比分析,并試圖從分析結(jié)果中尋找爆炸荷載作用于框架結(jié)構(gòu)時(shí),動(dòng)力響應(yīng)較大的薄弱部位。

1 爆炸荷載

爆炸其實(shí)就是一種能量的快速釋放過程,爆炸瞬間產(chǎn)生的高溫、高壓氣體急劇膨脹造成爆炸點(diǎn)周圍介質(zhì)中的壓力發(fā)生急劇的突變,對(duì)周圍環(huán)境造成強(qiáng)烈破壞。一般對(duì)于上部結(jié)構(gòu)的抗爆問題,我們主要研究爆炸后所形成的空氣沖擊波荷載作用在結(jié)構(gòu)上對(duì)整體結(jié)構(gòu)和構(gòu)件所造成的響應(yīng)和破壞。

按《人民防空地下室設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50038—2005)規(guī)定,在結(jié)構(gòu)計(jì)算中,核爆炸的地面沖擊超壓波形,可取在最大壓力處按切線或按等沖量簡(jiǎn)化的無升壓時(shí)間的三角形,其函數(shù)表達(dá)式見式(1)。式中T0為爆炸壓力正值作用時(shí)間。

取爆炸峰值荷載為100 k N/m,考慮到爆炸荷載的短時(shí)性,荷載作用時(shí)間選為100 ms。梁柱施加式(1)所示為按時(shí)間變化的線荷載;板施加與梁柱同樣規(guī)律變化的面荷載。

2 結(jié)構(gòu)有限元模型

取三層鋼筋混凝土框架作為研究對(duì)象,采用SAP2000對(duì)其進(jìn)行離散化[5]。網(wǎng)格劃分后的有限元模型如圖1所示,結(jié)構(gòu)平面布置見圖2。

1)橫向柱網(wǎng)為2×6 m,縱向柱網(wǎng)為3×5.4 m,層高均為3.9 m;

2)柱截面500 mm×500 mm,主梁截面250 mm×500 mm,次梁截面200 mm×400 mm,一、二層板厚取100mm,頂層板厚取120 mm;

3)梁柱混凝土強(qiáng)度等級(jí)均采用C30,板混凝土強(qiáng)度等級(jí)采用C25;

4)梁柱縱向受力鋼筋HRB400,箍筋及板受力鋼筋HPB300。

5)柱縱向?qū)ΨQ配筋4?20,梁縱向配筋為2?16,箍筋A(yù)8@200,板鋼筋A(yù)8@150。

另外,為研究結(jié)構(gòu)的非線性,反應(yīng)結(jié)構(gòu)屈服性能,在梁兩端添加軟件自定義的彎矩鉸M3,在柱兩端添加軸力彎矩鉸PMM。

框架柱作為結(jié)構(gòu)主要承重構(gòu)件,其動(dòng)力響應(yīng)關(guān)乎結(jié)構(gòu)整體安全,底層柱更是重中之重。鑒于該文模型底層柱包括4根長(zhǎng)邊中柱(A2、A3、C2、C3)、2根短邊中柱(B1、B4)和4根角柱(A1、A4、C1、C4),擬將爆炸荷載分別施加于底層中跨A-B軸/2-3軸所圍框架區(qū)間(圖3、圖4)以及角柱所在邊跨A-B軸/1-2軸所圍框架區(qū)間。研究分析兩種工況下受到相同荷載作用的邊柱與角柱、邊柱與中柱的節(jié)點(diǎn)位移響應(yīng)規(guī)律,以確定作為結(jié)構(gòu)抗爆設(shè)計(jì)關(guān)鍵構(gòu)件的框架柱。

3 節(jié)點(diǎn)動(dòng)力響應(yīng)分析

圖5～圖8分別為爆炸荷載作用于中跨和邊跨時(shí),受相同荷載作用的柱上端梁柱節(jié)點(diǎn)(節(jié)點(diǎn)2和節(jié)點(diǎn)14、節(jié)點(diǎn)6和節(jié)點(diǎn)18)的X、Y、Z向位移曲線對(duì)比圖。

表1 各節(jié)點(diǎn)X、Y方向最大位移及Z向殘余變形對(duì)比

1)分析圖5的X向位移曲線,節(jié)點(diǎn)2與節(jié)點(diǎn)14位移響應(yīng)呈現(xiàn)明顯差別:爆炸荷載作用的0.1 s內(nèi)節(jié)點(diǎn)2、節(jié)點(diǎn)14振動(dòng)周期相近振幅不同,節(jié)點(diǎn)2(0.14 mm)稍大于節(jié)點(diǎn)14(0.12 mm);爆炸荷載作用結(jié)束后,節(jié)點(diǎn)14位移逐漸平穩(wěn)直至0.05 mm的殘余變形,而節(jié)點(diǎn)2則繼續(xù)在其平衡位置振動(dòng),振幅逐漸衰減,直至位移趨于穩(wěn)定值。這是由于角柱與長(zhǎng)邊中柱在X方向受周圍構(gòu)件約束不同,造成梁柱節(jié)點(diǎn)的剛度差異較大,使兩者在強(qiáng)沖擊荷載作用下的振動(dòng)響應(yīng)差別較大,角柱動(dòng)力響應(yīng)大于邊柱。

2)分析圖6的Y向位移曲線,節(jié)點(diǎn)2和節(jié)點(diǎn)14始終保持同頻率的振動(dòng),振幅逐漸衰減,但節(jié)點(diǎn)2的振幅始終大于節(jié)點(diǎn)14。這是由于角柱和邊柱在Y方向所受約束相同,但受其他方向約束影響,角柱振幅依然大于邊柱。

3)分析圖7的Z向位移曲線,節(jié)點(diǎn)2和節(jié)點(diǎn)14的位移變化基本相近,最終的Z向殘余變形,節(jié)點(diǎn)2 (0.25 mm)幾乎是節(jié)點(diǎn)14(0.11 mm)的兩倍。

綜合分析以上各圖表,還可以看出,梁柱節(jié)點(diǎn)的Z向位移比X、Y向位移更為明顯,因此可以把梁柱節(jié)點(diǎn)Z向位移作為反映其動(dòng)力響應(yīng)的主要指標(biāo)。各節(jié)點(diǎn)最終Z向殘余變形分別為:角柱節(jié)點(diǎn)2最大,短邊中柱節(jié)點(diǎn)6次之,長(zhǎng)邊中柱節(jié)點(diǎn)14其次,內(nèi)部中柱節(jié)點(diǎn)18最小。這反映了爆炸荷載作用于結(jié)構(gòu)不同部位對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件最終變形狀態(tài)的影響不同,作用于邊跨的爆炸荷載對(duì)框架結(jié)構(gòu)的塑性影響顯著大于作用于中跨時(shí)的同峰值爆炸荷載。

4 結(jié) 論

框架結(jié)構(gòu)在爆炸荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)與荷載作用部位密切相關(guān),作用于邊跨的動(dòng)力響應(yīng)明顯大于作用于中跨的動(dòng)力響應(yīng)?？蚣芙Y(jié)構(gòu)各柱中,角柱在各方向上受到的周圍構(gòu)件約束最少,因此在強(qiáng)沖擊荷載作用下產(chǎn)生的振動(dòng)響應(yīng)最明顯,荷載作用結(jié)束后構(gòu)件內(nèi)殘余縱向變形也最大;邊柱次之;結(jié)構(gòu)內(nèi)部中柱由于各方向均受到與之相連的框架梁的約束作用,梁柱節(jié)點(diǎn)剛度較大,動(dòng)力響應(yīng)是所有框架柱中最小的。因此為減少框架結(jié)構(gòu)在爆炸荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)及荷載作用結(jié)束后構(gòu)件內(nèi)的殘余塑性變形,框架角柱應(yīng)當(dāng)作為框架結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件進(jìn)行強(qiáng)化設(shè)計(jì),提高其抵抗偶然的強(qiáng)沖擊荷載作用的能力,以提高結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備,保障建筑結(jié)構(gòu)的安全性、適用性。另外,對(duì)安全系數(shù)要求更高的結(jié)構(gòu),框架結(jié)構(gòu)邊柱也應(yīng)當(dāng)作為重點(diǎn)設(shè)計(jì)構(gòu)件。

[1] GB 50010—2010,混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] 方 秦,柳錦春,張亞棟,等.爆炸荷載作用下鋼筋混凝土梁破壞形態(tài)有限元分析[J].工程力學(xué),2001,18(2):1-8.

[3] 杜 林,石少卿,張湘冀,等.鋼管混凝土短柱內(nèi)部抗爆炸性能的有限元數(shù)值模擬[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào),2004,24(10):142-144.

[4] 劉廷權(quán),王興國(guó),葛 楠.鋼筋混凝土柱在側(cè)向撞擊作用下破壞模式研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2010,32(9):188-193.

[5] 北京金土木軟件技術(shù)有限公司,中國(guó)建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院.SAP2000中文版使用指南(第二版)[M].北京:人民交通出版社,2012.

Dynamic Response Analysis for the Frame Structure under Explosion Load

SUN Yan,SHEN Shan
(School of Urban construction,Wuhan University of Science and Technology,Wuhan 430065,China)

The dynamic response process for the reinforced concrete frame suffering explosion load on different parts was simulated by the general finite element software SAP2000,followed by the analysis on the displacement of the beam-column joints under each condition.The analysis results show that the displacement of the beam-column joints when the explosion load acted on side span is more than the displacement when the explosion load acted on midspan, which makes it clear that the explosion load influence on frame structure is closely related to the side of action and side span influence is more than midspan influence.To further articulate,the corner post in side span is the critical element in explosion resistance design.

explosion load; frame structure; dynamic response;SAP2000

2014-08-06.

孫 艷(1965-),副教授.E-mail:981128303@qq.com

10.3963/j.issn.1674-6066.2014.05.030