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，张海，徐慎春，郭翰林(1．天津城市建设管理职业技术学院建筑工程系，天津300134；2．天津城建大学土木工程学院．天津300384)【摘要】以超高性能混凝土柱为研究对象，利用非线性有限元显式动力分析软件Ls—DYNA，建立精细数值分析模型，研究爆炸荷载作用下UHPC柱的动力响应。研究结果表明：爆炸过程中，柱端与柱中首先出现损伤，且柱中弯矩产生时间滞后于柱端剪力产生时间，因此提高柱中抗弯能力和柱端抗剪能力是提高其抗爆能力的重要手段。【关键词】爆炸荷载；U

2、HPC；动力响应；损伤破坏；数值模拟【中图分类号】TU375．3【文献标识码】B【文章编号】1001—6864(2014)07—0051—03近些年来强烈地震、海啸和恐怖袭击以及日常生拟。在有限元模型中建立了柱头和柱脚，如图1所示，产生活中的意外爆炸事故引起了人们的关注，严重威柱头和柱脚四周水平方向的位移被约束，柱脚底面竖胁人们的生命财产安全。由于爆炸荷载的传播速度直方向的位移被约束。此外，为了更加真实的模拟实极快、冲量大同时加上混凝土材料性质复杂，从而使际建筑中柱结构在受到意外爆炸荷载作之前的受力得钢筋混凝土结构或构件爆炸动力

3、性能比一般动力状态，采用LS—DYNA中的动力释放算法来对柱进行性能复杂得多。国内外对爆炸荷载作用下的钢筋混应力初始化，然后再通过施加爆炸荷载来分析柱在受凝土爆炸性能的研究较多，如Sun【l等研究了钢骨混到爆炸荷载作用下的动力响应。凝土柱的爆炸动力特性，得出三种破坏模式。魏雪英研究了爆炸荷载作用下混凝土和砖砌体材料及其结构的动力响应。纵观国内外研究现状，学者多着眼于普通钢筋混凝土构件而对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为研究对象，采用大型通用有限元软件I_S—DYNA分析其在爆炸荷载作用下的非线

4、性动力特性。研究得出超高性能混凝土柱在爆炸荷载作用的典型动力性能和破坏模式。1模型建立1．1有限元模型选取典型超高性能钢筋混凝土柱，柱宽b=(a)UHPC(b)uHPC钢筋柱(c)柱截面尺寸200mm，柱深h=200mill，柱高H=2500mill，超高性柱外形分离式模型能混凝土轴心抗压强度标准值=160MPa，纵筋配图1钢筋混凝土柱的有限元模型筋率P=0．005，箍筋配箍率P=0．005。根据上述指标，抽象出超高性能混凝土柱，利用大型通用软件LS1．2材料本构关系选择—DYNA，建立分离式有限元模型，如图1所示。图有限元模型

5、中钢筋采用双线性弹塑性模型，均采中，b为柱迎爆面宽度即柱宽；h为柱截面高度即柱用低合金超高强度钢，纵筋材料模型参数为：密度为深；a为混凝土保护层厚度；为柱净高；s。、s为箍7830kg／m，弹性模量为20GPa，屈服强度为1080MPa筋间距。泊松比为0．28；箍筋材料模型参数：密度为7830网格划分对有限元分析有着显著的影响，通过不kg／m，弹性模量为20GPa，屈服强度为500MPa，泊松断尝试划分网格验证计算的敛散性，最终确定采用比为0．28。10ram的单积分点正六面体单元对模型进行划分网混凝土在爆炸荷载作用下会经受大应

6、变率作用，格。其中纵向钢筋及箍筋均采用10ram梁单元进行模应变率高达10～s～～lO00s～。其中应变率即材料变[基金项目]天津市应用基础与前沿技术研究计划(12JCQNJC05300)；天津市中青年骨干创新人才培养计划；国家级大学生创新创业训练计划52低温建筑技术2014年第7期(总第193期)形速度的一种度量，是应变对时间的导数。材料的应受迫振动阶段，柱端剪力为质点振动所产生应力的宏变率效应通常采用某一应变率下动力强度与静力强观表现。0．4ms以后柱端剪力呈现出波浪状起伏状度的比值DIF来表示。UHPC强度的DIF采用K&

7、C态，峰值逐渐减小。因此可以认为这一阶段为柱的自模型。在K&C模型中，混凝土的抗拉与抗压动力增大由振动阶段，其动力反应由其自由振动特征决定。系数采用不同的计算公式。混凝土抗拉强度动力增大系数由公式(1)、(2)确定：：f-肌M肌M⋯／√＼TDIF==(1d≤ls(1)6他：b、／【

8、r·l／3TDIF=J=卢()≥ls(2)拓、S6，式中，为应变率为时混凝土动态抗拉强度；时间／ms为应变率(=10s)时混凝土的静力抗拉图2柱端截面剪力时程曲线强度；log8=68—2，其中占=1／(1+。／厂。。)，厂=10MPa，厂为混凝土静力

9、单轴抗压强度。混凝土抗压动力增大系数由公式(3)、(4)确定：z欷目．z静，·lf26~CDIF==(1d≤30s(3)c·、S怕，裟。，．CDIF=Jed=()十d>30s(4)c

10、式中，厶为应变率为时混凝土的动态抗压强度；厂衄为应变率为。。(=30×10一s