CFRP加固鋼筋混凝土T梁抗爆動力響應數(shù)值模擬

陳銳林，陳秀華

(1.湘潭大學土木工程與力學學院，湖南 湘潭 411105， 2.懷化職業(yè)技術學院建筑工程系，湖南 懷化 418000)

近年來，爆炸事件時有發(fā)生，如2006年廣西特大爆炸事件，2棟樓房及附近建筑物遭受嚴重破壞，爆炸造成巨大的經(jīng)濟損失和人員傷亡，建筑物破損嚴重，因此如何提高結構物的抗爆性能成為了重中之重。而現(xiàn)有研究成果表明，CFRP材料可加固混凝土結構或構件，使結構的抗沖擊性能明顯增強，損害較小，因而對CFRP加固混凝土構件的抗爆性能成為了國內(nèi)外學者的研究熱點。孫珊珊[1]研究了爆炸荷載作用下鋼管混凝土柱動態(tài)響應，通過LS-DYNA分析了折合距離、加載速率以及截面形狀等參數(shù)對鋼管混凝土柱動態(tài)響應的影響。屈曉曉[2]利用LS-DYNA有限元軟件對鋼筋混凝土梁橋進行數(shù)值模擬，研究了炸藥當量、比例距離等參數(shù)對梁橋的力學性能影響，確定了安全評估指標和等級評定，并對其驗證。杜文超[3]采用數(shù)值模擬與理論分析相結合的方式對CFRP方鋼管混凝土柱抗爆性能進行研究，分析了CFRP厚度、柱高、軸壓比和比例距離等參數(shù)對柱的影響。賈志路[4]利用ANSYS/LS-DYNA對沖擊和爆炸荷載下箱形鋼管混凝土疊合柱的力學性能進行數(shù)值模擬，考慮了邊界條件、沖擊高度和軸壓比對鋼管混凝土柱的位移、應變和破壞形態(tài)的影響。杜剛[5]對鋼筋混凝土T梁橋和箱梁橋進行試驗，研究了梁的的抗爆性能，同時用ABAQUS進行模擬，分析了起爆位置、爆炸距離、炸藥當量對梁動力性能的影響。曲艷東等[6]利用ANSYS/LS-DYNA有限元分析軟件對爆炸荷載下CFRP加固含初始裂紋的RC梁的力學性能進行了數(shù)值模擬，分析了加固層數(shù)和寬度對其力學性能的影響。

綜上所述，目前，對于鋼筋混凝土T梁的抗爆性能研究仍十分匱乏，而鋼筋混凝土T梁作為橋梁結構中的重要組成部分，對其抗爆性能的研究具有重要意義。基于上述背景，本文對CFRP加固鋼筋混凝土T梁進行抗爆動態(tài)響應數(shù)值模擬，并分別研究CFRP外貼形式、CFRP厚度對鋼筋混凝土T梁抗爆性能的影響。

1 數(shù)值仿真方法

1.1 材料模型

1.1.1 炸藥的材料模型

炸藥通過提供的材料模型*MAT_HIGH_EXPL OSIVE_BURN結合JWL狀態(tài)方程來描述，JWL狀態(tài)方程的p-v關系如下[7]：

(1)

式中：p為炸藥爆轟壓;V為相對體積;E為單位體積內(nèi)能;e為爆轟產(chǎn)物比內(nèi)能；A、B、R1、R2、w為特征參數(shù)。

對于TNT炸藥，在g-cm-μs單位制中，其參數(shù)為：密度ρ0=1.7 g/cm3、爆速D=0.753 cm/μs、PCJ=0.255×1011Pa、A=5.409 4、B=0.093 726、R1=4.5、R2=1.1、ω=0.35。

1.1.2 空氣的材料模型

空氣模型使用多線性狀態(tài)方程*EOS_LINEAR_POLYNOMIAL來描述

p=[C0+C1μ+C2μ2+C3μ2]+[C4+C5μ+C6μ2]eipv0

(2)

式中：C0～C6為狀態(tài)議程常數(shù)；eipv0為單位體積初始內(nèi)能；p為壓力；μ為應變。

為了計算方便，把空氣視為理想氣體，其中C0=C1=C2=C3=C6=0，C4=C5=0.4。在g-cm-μs單位制中*MAT-NULL材料模型的參數(shù)為：動力黏性系數(shù)MU=0.001，密度ρ0=0.001 2 kg/m3。

1.1.3 混凝土的材料模型

采用JOHNSON_HOLMQUIST_CONCRETE(簡稱H-J-C)模型作為混凝土材料的本構模型?；炷敛牧蠀?shù)如表1所示[8-13]。

表1 混凝土材料參數(shù)

H-J-C材料模型的狀態(tài)方程如下：

彈性加載段及卸載段(p

p=keμ

(3)

塑性過渡區(qū)加載段(pc≤p≤p1)

(4)

塑性過渡區(qū)卸載段(pc≤p≤p1)

(5)

完全壓實加載段(p>p1)

(6)

完全壓實卸載段(p>p1)

(7)

該階段為無氣孔的材料密實階段，材料被完全破壞。

H-J-C材料模型屈服方程如下：

σ*=[A(1-D)+BP*N](1+Clnε*)

(8)

H-J-C材料模型損傷方程如下：

(9)

1.1.4 鋼筋的材料模型

鋼筋采用塑性隨動強化模型*MAT_PLASTIC_KINEMATIC(MAT3)，材料模型的屈服方程為：

(10)

鋼筋材料參數(shù)如表2所示。

表2 鋼筋材料參數(shù)

1.1.5 CFRP的材料模型

碳纖維復合增強材料CFRP采用*MAT_ENHANCED_COMPOSITE_DAMAGE正交各向異性復合材料模型來模擬。該模型材料的復合層失效基于失效準則共有基本拉伸、基本壓縮、纖維拉伸以及纖維壓縮4種。其具體參數(shù)如表3所示。

表3 CFRP材料參數(shù)

1.2 計算模型

整體有限元模型如圖1所示，TNT當量W=1 500 g，T型梁支座中心距離為400 cm，腹板尺寸為20 cm×40 cm，翼緣寬度為40 cm，厚度為10 cm。受拉區(qū)配筋和架立筋均為HRB400鋼筋,縱向箍筋配筋直徑8 mm，間距20 cm，橫向箍筋直徑10 mm，間距20 cm。詳細尺寸如圖2所示，模型中空氣、炸藥、混凝土、CFRP均選用SOLID164八節(jié)點實體單元，鋼筋采用BEAM161四節(jié)點單元，計算時間10 ms，接觸類型為自動單面接觸*CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE，網(wǎng)格劃分方式為掃略分網(wǎng)，采用對稱邊界條件。

圖1 整體有限元模型

圖2 T梁尺寸

2 數(shù)值仿真分析

2.1 爆炸沖擊荷載下CFRP加固鋼筋混凝土T梁動力響應特性分析

2.1.1 應力分析

普通鋼筋混凝土T梁的等效應力云圖如圖3所示，經(jīng)CFRP加固后的鋼筋混凝土T梁等效應力云圖如圖4所示，，對比可得，當t=800 μs時，加固與未加固的梁的應力傳播方向一致，但CFRP加固后的鋼筋混凝土T梁跨中部位裂縫明顯減少，主要集中于梁兩端。在t=1 300 μs時，加固后的鋼筋混凝土T梁開始出現(xiàn)裂縫，較相同時刻下的未經(jīng)加固普通鋼筋混凝土T梁的裂縫分布面積更少，裂縫擴展更慢。加固后的鋼筋混凝土T梁在t=2 350 μs后等效應力變化趨于穩(wěn)定，中心斜裂縫數(shù)量急劇減少，彎曲破壞程度大大降低。

圖3 普通混凝土T梁等效應力分布云圖

圖4 CFRP加固鋼筋混凝土T梁等效應力云圖

2.1.2 位移分析

典型時刻普通鋼筋混凝土T梁的混凝土位移云圖如圖5所示，經(jīng)CFRP加固后的鋼筋混凝土T梁混凝土位移云圖如圖6所示，對比可得，普通混凝土T梁位移在t=1 400 μs時，梁端開始產(chǎn)生位移，隨著時間的推移，位移持續(xù)擴大，經(jīng)CFRP加固后的T梁，在t=2 450 μs時，位移發(fā)展明顯變緩，趨于穩(wěn)定，裂縫區(qū)域也不再擴張，CFRP材料增加了T梁的抗彎能力，剛度增大。

圖5 普通鋼筋混凝土T梁位移云圖

圖6 CFRP加固鋼筋混凝土T梁位移云圖

2.2 試驗驗證

文獻[14]給出的CFRP外貼鋼筋混凝土板(1 500 mm×1 500 mm×1 500 mm)的抗爆試驗結果如圖7所示。其中普通鋼筋混凝土板在當量為600 g的TNT炸藥下爆炸的結構裂縫的擴展分布情況(見圖7a)和本模擬圖5中t=2 450 μs及以后的裂縫分布圖像基本上一致，主要是由兩端向中心部位發(fā)展的斜裂縫，以及少許的豎直和水平裂縫。其中由外貼CFRP條帶的鋼筋混凝土在當量為800 g的TNT炸藥下爆炸的結構裂縫分布(見圖7b)可以看出，裂縫分布與本模擬圖6中t=4 650 μs基本一致，主要也是角點指向中心的斜裂縫，并且CFRP條帶的裂縫與混凝土裂縫基本上是重合的，這一規(guī)律和本模擬是類似的，進一步證明了本模擬的可靠性。

2.3 CFRP外貼形式和CFRP厚度的影響

2.2.1 CFRP外貼形式的影響

研究選取了工程中最常用的幾種加固方式：U形粘貼、底面粘貼、頂部和底部粘貼、全包裹。不同加固方式下T梁典型動力響應特性時程曲線如圖8所示。

圖8 不同加固方式T梁跨中節(jié)點典型動力響應時程

由圖8可知，未粘貼、U形粘貼、底面粘貼、頂部和底部粘貼、全包裹梁跨中節(jié)點峰值位移依次為0.217、0.208、0.194、0.131、0.124 cm。與未粘貼相比，U形粘貼、底面粘貼、頂部和底部粘貼、全包裹梁跨中節(jié)點位移峰值分別下降4.1%、10.6%、39.6%、43%；未粘貼、U形粘貼、底面粘貼、頂部和底部粘貼、全包裹梁跨中節(jié)點峰值速度依次為1.183、1.130、1.118、1.106、1.037 m/s；未加固鋼筋混凝土T梁動力反應較為強烈，其中不同加固方式中全包裹加固方式動力反應最小，梁的抗爆性能最佳。對比全包裹與頂部與底部粘貼CFRP，頂部和底部粘貼CFRP鋼筋混凝土T梁峰值位移增加了5.3%，頂部和底部粘貼與全包裹CFRP梁的損傷程度大致相同。綜合考慮受力和經(jīng)濟性，頂部和底部粘貼CFRP的加固方法為最佳。

2.3.2 CFRP厚度的影響

選取CFRP的厚度分別為0.1、0.2、0.3、0.4 mm，研究頂部和底部粘貼不同厚度的CFRP鋼筋混凝土T梁的動力響應特性，T梁動力響應特性時程曲線如圖9所示。

圖9 不同CFRP厚度T梁跨中節(jié)點典型動力響應時程

由圖9可知，CFRP的厚度為0.1、0.2、0.3、0.4 mm時，梁跨中節(jié)點的峰值位移為0.135、0.131、0.126、0.124 cm。隨著CFRP的厚度等比例增長時，位移峰值呈現(xiàn)不等比例的降低，其下降程度越來越緩慢。CFRP為0.1、0.2、0.3 mm時梁跨中節(jié)點峰值速度依次為1.018、1.003、0.992 m/s。隨著CFRP的厚度的增加，鋼筋混凝土T梁跨中節(jié)點的峰值速度隨之減小?？缰泄?jié)點加速度在0.3 mm時最小，其數(shù)值為1.09 m/s2，可知，在CFRP厚度為0.3 mm時，T梁在爆炸荷載作用下的動力反應最小。因此，本文所考慮條件下，建議CFRP厚度為0.3 mm。

3 結論

1)相同時刻，加固后的鋼筋混凝土T梁的峰值位移均小于普通鋼筋混凝土的T梁，初始裂縫產(chǎn)生時間也晚于普通鋼筋混凝土T梁，說明CFRP材料能有效地抑制T梁底部混凝土裂縫的擴展，提升T梁的整體性，進而提高T梁的抗彎剛度。

2)U形粘貼、底面粘貼、頂部和底部粘貼、全包裹幾種加固方式下，全包裹與頂部和底部粘貼兩種方式下，T梁的抗爆性能更佳，綜合考慮受力和經(jīng)濟性，建議選取頂部和底部粘貼CFRP加固方式。

3)隨著CFRP的厚度等比例增長時，T梁跨中節(jié)點峰值位移呈現(xiàn)不等比例的降低，其下降程度越來越緩慢，CFRP厚度為0.3 mm時，T梁在爆炸荷載作用下的動力反應最小，建議CFRP厚度為0.3 mm。