有無預(yù)應(yīng)力內(nèi)置壓型鋼板裝配式寬連梁抗爆性能研究

周文君，李令令, 聶紅鑫

(吉林建筑科技學(xué)院，吉林 長春 130000)

大量工程實踐及科學(xué)試驗表明寬連梁具有增大梁剪壓區(qū)范圍、提高跨高比值，優(yōu)化結(jié)構(gòu)的整體性能的特性.裝配式體系引進(jìn)寬連梁構(gòu)件，既能顯著提高建筑預(yù)制裝配化程度，又能充分發(fā)揮剪力墻-寬連梁的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢[1-3]。

針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，沈陽建筑大學(xué)孫麗教授提出一種內(nèi)置壓型鋼板凹槽結(jié)構(gòu)的裝配式寬連梁構(gòu)件，圖1為此寬連梁的裝配形式以及多連梁構(gòu)造的裝配形式。預(yù)制時，將壓型鋼板圍成的U型凹槽作為內(nèi)模板，預(yù)制完成的寬連梁兩端形成“凹槽結(jié)構(gòu)”且寬度應(yīng)大于預(yù)制剪力墻板。裝配時將預(yù)制連梁寬梁吊裝剪力墻預(yù)留的連梁卡位，鋼筋穿過凹槽澆注混凝土，成為一種新型混合聯(lián)肢墻體系。自內(nèi)置壓型鋼板裝配式寬連梁-剪力墻結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)提出以來，孫麗教授已經(jīng)在其他各方面做了充分研究。

圖1 內(nèi)置壓型鋼板凹槽結(jié)構(gòu)的裝配式寬連梁

筆者在研究箍筋對內(nèi)置壓型鋼板裝配式寬連梁-剪力墻抗爆性影響時發(fā)現(xiàn)，其連梁破壞初期多由混凝土抗拉能力差導(dǎo)致，施加截面預(yù)壓力能有效改善抗拉能力不足的缺點。基于此,筆者應(yīng)用基于HyperMesh的專業(yè)爆破前處理插件TCE(TechChat- Exploding，TCE)建立了內(nèi)置壓型鋼板裝配式寬連梁-剪力墻結(jié)構(gòu)流-固耦合有限元模型，應(yīng)用 Ls-Dyna 的顯示求解功能，在相同爆炸荷載下改變截面預(yù)應(yīng)力值，對內(nèi)置壓型鋼板裝配式寬連梁抗爆性與預(yù)應(yīng)力的影響關(guān)系進(jìn)行研究。

1 材料模型

本數(shù)值模擬中，炸藥TNT特性應(yīng)用Ls-Dyna求解器封裝材料庫提供的*MAT_HIGH_EXPLOSI VE_BU RN材料模型，結(jié)合*EOS_ JWL狀態(tài)方程模擬；空氣特性應(yīng)用Ls-Dyna求解器封裝材料庫提供的*MAT_NULL空材料模型，并結(jié)合*EOS_LINE R_ POLYNOMIAL狀態(tài)方程模擬[4-6]。

1.1 混凝土材料模型

本數(shù)值模擬中，混凝土C40特性應(yīng)用Ls-Dyna求解器封裝材料庫提供的*MAT_JOHNSON_HOL MQUIST_CONCRETE模型(簡稱 HJC)進(jìn)行模擬。其中HJC模型針對求解爆炸沖擊荷載，這種會引起材料產(chǎn)生大應(yīng)變、高應(yīng)變率等的工況極為合適。HJC模型是以累積塑性應(yīng)變?yōu)楹饬繕?biāo)準(zhǔn)的損傷本構(gòu)關(guān)系模型，具有反應(yīng)壓力效應(yīng)及應(yīng)變率的敏感屬性，其特性應(yīng)用于Lagrange和Euler單元的有限元計算中非常合適[7]。模型中等效屈服強度變量是標(biāo)準(zhǔn)壓力、應(yīng)變和損傷變量相關(guān)聯(lián)的函數(shù)。其中標(biāo)準(zhǔn)壓力變量又是體積應(yīng)變變量的函數(shù)，即包含壓實效應(yīng)，積累損傷是塑性體積應(yīng)變、等效體積應(yīng)變和壓力變量相關(guān)的函數(shù)。材料等效屈服強度計算公式如下[8-9]：

(1)

1.2 鋼筋材料模型

鋼筋為應(yīng)變率十分敏感的各向同性材料，與受靜力荷載不同，鋼筋在高應(yīng)變率爆炸荷載的作用下會發(fā)生極速的材料變形，故對于模擬鋼材的動態(tài)特性，筆者選用Ls-Dyna求解器封裝材料庫提供的*MAT_PLASTIC_KIN EMATI非線性材料模型模擬，該材料模型考慮了應(yīng)變率效應(yīng)對應(yīng)力的影響，適用于模擬具有各向同性和塑性隨動硬化特性的材料，有效節(jié)約計算時間，在梁單元和殼單元中計算優(yōu)勢更明顯。 *MAT_PL ASTIC_KINEMATI材料模型應(yīng)用Cowper-Symonds關(guān)系來考慮和應(yīng)變率有關(guān)的影響，采用與應(yīng)變率的有關(guān)因數(shù)描述屈服應(yīng)力[10]：

(2)

2 有限元分析模型

2.1 構(gòu)造及材料

內(nèi)置壓型鋼板裝配式寬連梁-剪力墻尺寸、鋼筋分布及炸藥幾何尺寸，見圖2。構(gòu)件箍筋及縱筋采用HRB400級鋼筋，參數(shù)見表1；混凝土采用C40級混凝土，參數(shù)見表2。其中，預(yù)應(yīng)力鋼筋公稱直徑為25 mm，屈服強度785 MPa，其他參數(shù)參照HRB400級鋼筋，見表1；TNT炸藥體積60 mm×180 mm×120 mm(LB-1=60 mm、LB-2=180 mm、LB-3=120 mm)[11-15]。

圖2 模型尺寸及鋼筋分布(單位：mm)

表1 鋼筋材料參數(shù)

表2 C40混凝土材料參數(shù)

2.2 有限元網(wǎng)格處理

有限元模型鋼筋應(yīng)用Ls-Dyna顯示動力學(xué)單元BEAM 168模擬，單元數(shù)量1 022個；混凝土應(yīng)用Ls-Dyna顯示動力學(xué)單元Solid 164模擬，單元數(shù)量1 308個；壓型鋼板應(yīng)用Ls-Dyna顯示動力學(xué)單元PLANE 162平面板單元模擬，單元數(shù)量228個。單元網(wǎng)格劃分尺寸為50 mm，其中混凝土與壓型鋼板及與預(yù)應(yīng)力鋼筋間采用彈簧單元連接，用來等效兩種介質(zhì)間的粘連狀態(tài)，網(wǎng)格劃分見圖2。

3 有限元分析結(jié)果

3.1 無預(yù)應(yīng)力抗爆分析

寬連梁在距起爆0.01 s時寬連梁橫截面混凝土出現(xiàn)貫穿損傷，至0.03 s后爆炸沖擊不再引起寬連梁進(jìn)一步損傷，見圖3，其中混凝土單元損傷量占混凝土單元總量的46.3%，表明混凝土損傷程度屬于極為嚴(yán)重，見表3。0.04 s時鋼筋骨架達(dá)峰值位移2.68 mm，鋼筋骨架位移-時間曲線見圖4。

圖3 無預(yù)應(yīng)力寬連梁位移云圖

圖4 無預(yù)應(yīng)力寬連梁鋼筋骨架位移-時間曲線

3.2 各截面預(yù)加壓力抗爆分析

1 000 MPa、1 200 MPa、1 400 MPa、1 600 MPa截面預(yù)加壓力抗爆分析如下。

(1) 截面預(yù)加壓力1 000 MPa時，爆炸全過程中未出現(xiàn)混凝土梁截面貫穿損傷，0.30 s后爆炸沖擊不再引起寬連梁進(jìn)一步損傷，混凝土單元損傷量占混凝土單元總量47.48%，見表3，表明混凝土損傷程度極為嚴(yán)重。0.46 s時鋼筋骨架達(dá)峰值位移2.92 mm，見圖5。

(2) 截面預(yù)加壓力1 200 MPa時，爆炸全過程中未出現(xiàn)混凝土梁截面貫穿損傷，0.33 s后爆炸沖擊不再引起寬連梁進(jìn)一步損傷，混凝土單元損傷量占混凝土單元總量42.43%，見表3，表明混凝土損傷程度較為嚴(yán)重。0.46 s時鋼筋骨架達(dá)峰值位移2.62 mm，見圖5。

圖5 有預(yù)應(yīng)力寬連梁鋼筋骨架位移-時間曲線

表3 不同預(yù)壓力值的失效單元比例

(3) 截面預(yù)加壓力1 400 MPa時，爆炸全過程中未出現(xiàn)混凝土梁截面貫穿損傷，0.35 s后爆炸沖擊不再引起寬連梁進(jìn)一步損傷，見圖6，混凝土單元損傷量占混凝土單元總量37.46%，見表3，表明混凝土損傷程度最輕。0.47 s時鋼筋骨架達(dá)峰值位移1.66 mm，見圖5。

圖6 截面預(yù)壓力1 400 MPa寬連梁位移云圖

(4) 截面預(yù)加壓力1 600 MPa時，爆炸全過程中未出現(xiàn)混凝土梁截面貫穿損傷，0.34 s后爆炸沖擊不再引起寬連梁進(jìn)一步損傷，混凝土單元損傷量占混凝土單元總量39.83%，見表3，表明混凝土損傷程度較輕。0.49 s時鋼筋骨架達(dá)峰值位移2.35 mm，見圖5。

截面預(yù)加壓力可以有效改善內(nèi)置壓型鋼板寬連梁的抗爆性能。延長寬連梁達(dá)到最終破壞的時間，降低混凝土的損傷程度，減弱鋼筋骨架在爆炸荷載下的位移變形。但是預(yù)加截面壓力值應(yīng)該在一定范圍內(nèi)，如本例截面預(yù)加壓力小于1 000 MPa時，未能明顯改善寬連梁抗爆性能；大于1 600 MPa后又開始不利于寬連梁抗爆性能提升。

3.3 有無預(yù)應(yīng)力抗爆性對比

由表3中失效單元占比數(shù)知，施加截面預(yù)加壓力的內(nèi)置壓型鋼板裝配式寬連梁抗爆能力總體強于同規(guī)格的普通寬連梁。初始預(yù)應(yīng)力值在1 400 MPa時抗爆能力提升到頂峰。

施加截面預(yù)加壓力，大幅度改善普通寬連梁在爆炸荷載下的脆性特性。減少混凝土單元損傷量的同時，延緩終止破壞時間達(dá)無預(yù)應(yīng)力寬連梁的近10倍。

施加截面預(yù)加壓力，一定程度上改善寬連梁鋼筋骨架在爆炸荷載下的變形程度。由圖5可知，骨架位移-時間曲線，預(yù)加壓力1 000 MPa時，出現(xiàn)幾條鋼筋骨架位移曲線的位移幅值最值，同時振動幅度最大；隨著預(yù)加壓力增加至1 200 MPa～1 400 MPa范圍內(nèi)，位移幅值變小，位移振動幅度也下降，振動趨于穩(wěn)態(tài)；隨著施加預(yù)加壓力值的繼續(xù)加大，位移幅值逐步增加，振動幅度也有所提高。

4 結(jié) 論

(1) 采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)，可以一定程度上提升內(nèi)置壓型鋼板寬連梁抗爆性能。

(2) 改善內(nèi)置壓型鋼板寬連梁在爆炸荷載下的脆性弱點，可以通過預(yù)應(yīng)力技術(shù)達(dá)到目的。

(3) 采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)改善內(nèi)置壓型鋼板寬連梁抗爆性能時，截面預(yù)壓力值應(yīng)該控制在一定范圍內(nèi)，預(yù)壓力值過高或過低，都可能達(dá)不到預(yù)期效果，預(yù)加壓力最適控制在1 200 MPa～1 400 MPa范圍。