燃?xì)獗ㄏ绿祭w維復(fù)合加固板的動(dòng)力響應(yīng)和參數(shù)分析

王 剛 陶俊林教授

(西南科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院,四川 綿陽(yáng) 621010)

0 引言

與固體炸藥爆炸事故相比,燃?xì)獗ㄊ鹿试谌粘Ｉ钪懈菀装l(fā)生。2023年第一季度,國(guó)內(nèi)發(fā)生燃?xì)馐鹿?43起,環(huán)比2022年第四季度的129起增加14起,上升10.9%[1]。燃?xì)獗ㄊ鹿蕰?huì)讓建筑結(jié)構(gòu)受到損壞,也會(huì)造成不同程度的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡,因此,研究建筑結(jié)構(gòu)的抗爆性能是十分迫切的。

樓板是隔開(kāi)上下房間的主要建筑結(jié)構(gòu),鋼筋混凝土板能否承受燃?xì)獗ǖ臎_擊波,是減少燃?xì)獗▊Φ年P(guān)鍵。已有鋼筋混凝土板加固研究發(fā)現(xiàn),碳纖維材料能夠提高板的抗爆性能。陳秀華[2]、劉路[3]、岳淚陽(yáng)[4]對(duì)碳纖維加固混凝土結(jié)構(gòu)的抗爆能力進(jìn)行數(shù)值模擬,發(fā)現(xiàn)碳纖維能夠提高混凝土結(jié)構(gòu)的抗爆性能;Wu[5]、Ha[6]、Urgessa[7]、郭樟根等[8-9]對(duì)碳纖維加固的鋼筋混凝土板在爆炸作用下的抗爆性能進(jìn)行試驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)碳纖維可以有效提高鋼筋混凝土板的抗爆能力;潘金龍等[10]進(jìn)行外貼碳纖維對(duì)于加固鋼筋混凝土板抗爆性能的數(shù)值模擬研究,結(jié)果表明,在相同條件下隨著碳纖維粘貼層數(shù)和粘貼密度的增加,加固板抗爆性能不斷增強(qiáng),相同條件下碳纖維加固板比玻璃纖維加固板抗爆性能更優(yōu)越;董琪[11]和陳銳林等[12]利用LS-DYNA對(duì)碳纖維加固后的鋼筋混凝土板進(jìn)行深入模擬計(jì)算,結(jié)果發(fā)現(xiàn)碳纖維能夠有效限制板上裂縫的擴(kuò)展,提升板的抗彎剛度和整體性,從而提高板的抗爆性能;吳志昇團(tuán)隊(duì)[13-14]對(duì)接觸爆炸作用下的6塊鋼筋混凝土單向板進(jìn)行試驗(yàn)研究,主要研究炸藥量、碳纖維加固及聚脲加固對(duì)鋼筋混凝土板抗爆性能的影響,結(jié)果表明,炸藥量增大,鋼筋混凝土板損傷加大,破壞模式發(fā)生轉(zhuǎn)變,變?yōu)闆_切破壞。從現(xiàn)有混凝土的加固研究可知,碳纖維布與碳纖維筋均對(duì)混凝土板起到很好的加固效果。因?yàn)槿細(xì)獗ㄏ啾扔谡ㄋ幈?爆炸升壓慢、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),兩者的超壓荷載不同,現(xiàn)有研究均是對(duì)爆炸作用下板的抗爆性能進(jìn)行研究,對(duì)燃?xì)獗ㄗ饔孟掳宓目贡阅苎芯枯^少。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上,研究碳纖維材料加固后的鋼筋混凝土板在燃?xì)夂奢d作用后的抗爆性能,并用碳纖維布與碳纖維筋同時(shí)對(duì)鋼筋混凝土板進(jìn)行加固,研究碳纖維布與碳纖維筋復(fù)合加固鋼筋混凝土板在燃?xì)獗ㄏ碌目贡阅?采用Flacs軟件模擬某典型廚房?jī)?nèi)的燃?xì)獗?得到作用于地板上的燃?xì)夂奢d時(shí)程曲線,基于在LS-DYNA中建立的碳纖維復(fù)合加固板數(shù)值分析模型,研究燃?xì)獗ㄗ饔孟绿祭w維復(fù)合加固板的抗爆性能。

1 燃?xì)夂奢d

1.1 燃?xì)饽Ｐ万?yàn)證

為準(zhǔn)確得到鋼筋混凝土板的燃?xì)夂奢d時(shí)程曲線(超壓時(shí)程曲線),驗(yàn)證設(shè)定網(wǎng)格及參數(shù)的正確性,對(duì)某典型廚房?jī)?nèi)燃?xì)獗ǖ臄?shù)值模擬與試驗(yàn)得到的燃?xì)夂奢d時(shí)程曲線(超壓時(shí)程曲線)進(jìn)行對(duì)比。采用Flacs軟件模擬得到燃?xì)夂奢d時(shí)程曲線。選取一個(gè)12m3爆室[15]進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)設(shè)備如圖1,其中S1-S6為測(cè)點(diǎn)。選取9.5%的甲烷—空氣混合氣體,點(diǎn)火位置為爆室中心,在爆室的一面墻壁上有一個(gè)面積為0.64m2正方形窗口進(jìn)行泄壓(如圖2),基本參數(shù)[15],見(jiàn)表1。

表1 基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters

圖1 試驗(yàn)設(shè)備Fig.1 Test equipment

圖2 計(jì)算模型Fig.2 Calculation model

試驗(yàn)與數(shù)值模擬燃?xì)夂奢d時(shí)程曲線(超壓時(shí)程曲線)結(jié)果對(duì)比,如圖3。從圖3中可以看出,兩者超壓的發(fā)展趨勢(shì)相似,試驗(yàn)的最高壓力峰值為0.129MPa,數(shù)值模擬的最高壓力峰值為0.133MPa,兩者的壓力誤差為3.2%,誤差較小。燃?xì)夂奢d時(shí)程曲線(超壓時(shí)程曲線)結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證了所選網(wǎng)格及參數(shù)設(shè)置的正確性,從而保證獲得數(shù)據(jù)的可靠性。

圖3 試驗(yàn)與數(shù)值模擬燃?xì)夂奢d時(shí)程曲線(超壓時(shí)程曲線)結(jié)果對(duì)比Fig.3 Comparison of overpressure time history curve results between experimental and numerical simulation

1.2 燃?xì)夂奢d時(shí)程曲線

按GB 50096—2011《住宅設(shè)計(jì)規(guī)范》[16]建立典型廚房的模型,廚房及廚房?jī)?nèi)各家具的尺寸,見(jiàn)表2。將模型與實(shí)際廚房燃?xì)獗ㄊ录Y(jié)合,將工作臺(tái)、水池、吊柜、冰箱作為固定障礙物,將門和窗的失效壓力分別設(shè)為0.015和7.3×10-3MPa,同時(shí)考慮到廚房墻壁可能會(huì)受到損壞,將廚房窗戶所在墻與門對(duì)面的墻設(shè)為磚墻,其他墻面為鋼筋混凝土墻,如圖4。按照徐志勝[17]的結(jié)論,將磚墻的失效壓力爆炸發(fā)生后,在點(diǎn)火位置下方地板上取121個(gè)點(diǎn)作為測(cè)點(diǎn),如圖5。選取其中10個(gè)點(diǎn),比較得到各點(diǎn)的燃?xì)夂奢d時(shí)程曲線(超壓時(shí)程曲線),如圖6。因剩下的111個(gè)測(cè)點(diǎn)與這10個(gè)點(diǎn)的超壓變化情況相同,對(duì)剩余的測(cè)點(diǎn)不做描述。為得到燃?xì)獗ㄗ饔孟绿祭w維復(fù)合加固板的抗爆性能,將得到的121個(gè)測(cè)點(diǎn)上的燃?xì)夂奢d時(shí)程曲線(超壓時(shí)程曲線)導(dǎo)入LS-DYNA中建立的普通鋼筋混凝土板和碳纖維復(fù)合加固板模型,獲得不同板在燃?xì)夂奢d作用下的相關(guān)數(shù)據(jù)。

表2 廚房及家具尺寸Tab.2 Kitchen and furniture dimensions

圖4 廚房模型Fig.4 Kitchen model

圖5 廚房?jī)?nèi)測(cè)點(diǎn)圖Fig.5 Measuring points in the kitchen

圖6 板上10個(gè)點(diǎn)燃?xì)夂奢d時(shí)程曲線(超壓時(shí)程曲線)Fig.6 Overpressure time history curve of 10 points on the plate

Pv1設(shè)為0.1MPa,鋼筋混凝土墻的失效壓力Pv2設(shè)為0.2MPa。廚房?jī)?nèi)甲烷混合氣體中甲烷濃度為9.5%,點(diǎn)火位置為廚房中心。

2 數(shù)值分析模型

2.1 建立模型

依照GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[18]建立普通鋼筋混凝土板模型,普通鋼筋混凝土板的長(zhǎng)、寬和高分別為1500、1500和120mm?；炷敛捎肅30,四邊固支,網(wǎng)格尺寸為20mm×20mm×20mm。鋼筋采用HRB335,單層雙向配置,直徑為8mm,間距為150mm,普通鋼筋混凝土板數(shù)值模型,如圖7。

圖7 普通鋼筋混凝土板有限元模型Fig.7 Finite element model of ordinary reinforced concrete slabs

在普通鋼筋混凝土板上均勻粘貼碳纖維布、井字型內(nèi)嵌碳纖維筋構(gòu)成碳纖維復(fù)合加固板模型。碳纖維布均勻粘貼在板底,網(wǎng)格尺寸為20mm×20mm×20mm,長(zhǎng)度為1500mm,寬為100mm,厚度為0.169mm,總面積為1.5×106mm2。碳纖維筋呈井字形內(nèi)嵌在板底,直徑為8mm,長(zhǎng)度為1500mm。碳纖維布和碳纖維筋復(fù)合加固方式,如圖8。

圖8 碳纖維復(fù)合加固方式Fig.8 Carbon fiber composite reinforcement method

鋼筋與混凝土之間、碳纖維筋與混凝土之間使用關(guān)鍵字CONSTRAINED＿LAGRANGE＿IN＿SOLID進(jìn)行耦合。碳纖維布與混凝土之間不考慮材料的滑移、剝落,兩者之間采用共節(jié)點(diǎn)的方式進(jìn)行相連。

2.2 模型材料

混凝土材料模型為HJC(Holmquist-Johnson-Cook)本構(gòu)模型,材料參數(shù),見(jiàn)表3。鋼筋的材料模型為MAT＿PLASTIC＿KINEMATIC(Mat-003),該模型考慮鋼筋的失效,設(shè)置失效應(yīng)變FS來(lái)模擬鋼筋的破壞。鋼筋選用HRB335,材料參數(shù),見(jiàn)表4。碳纖維筋采用線彈性MAT＿ELASTIC(Mat-001)材料模型,同時(shí)添加MAT-ADD-EROSION模擬碳纖維筋的極限抗拉強(qiáng)度失效準(zhǔn)則,具體材料參數(shù),見(jiàn)表5。碳纖維布的材料采用帶有3種不同失效準(zhǔn)則的正交各向異性復(fù)合材料模型MAT＿ENHANCED＿COMPOSITE＿DAMAGE(054),以T700型號(hào)碳纖維復(fù)合材料為例,具體參數(shù),見(jiàn)表6。

表3 混凝土材料參數(shù)Tab.3 Material parame of concrete

表4 鋼筋材料參數(shù)Tab.4 Material parameters of reinforcement

表5 碳纖維筋材料參數(shù)Tab.5 Material parameters of carbon fiber (CFRP) bars

表6 碳纖維布材料參數(shù)Tab.6 Material parameters of carbon fiber cloth

2.3 數(shù)值模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證碳纖維復(fù)合加固板模型的可靠性,采用分離式建模方法,根據(jù)表5中的材料參數(shù)對(duì)郭樟根[8-9]進(jìn)行的化爆作用下碳纖維布加固鋼筋混凝土板試驗(yàn)中的SB1工況(板的外形尺寸為1500mm×1500mm×150mm,在板底均勻粘貼碳纖維布進(jìn)行加固?；炷翉?qiáng)度為C30,鋼筋為直徑12mm的HRB335鋼筋,配筋率為0.6%)進(jìn)行模擬,確認(rèn)相關(guān)材料參數(shù)的正確性。郭樟根[8-9]在試驗(yàn)中測(cè)得SB1工況在不同炸藥量下(400和600g)碳纖維布加固鋼筋混凝土板跨中位移與試驗(yàn)所得到的位移對(duì)比,見(jiàn)表7。由表7可知,數(shù)值模擬的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合,說(shuō)明所建立的數(shù)值模型與參數(shù)設(shè)定正確。

表7 試驗(yàn)與模擬板的跨中位移對(duì)比表Tab.7 Comparison table of mid-span displacement between test and simulation plates

3 行為響應(yīng)

將1.2節(jié)得到的燃?xì)夂奢d時(shí)程曲線(超壓時(shí)程曲線)加載于碳纖維復(fù)合加固板上,對(duì)燃?xì)夂奢d作用后的碳纖維復(fù)合加固板的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行分析。

3.1 計(jì)算結(jié)果分析

普通鋼筋混凝土板等效應(yīng)力云圖,如圖9。碳纖維復(fù)合加固板等效應(yīng)力云圖,如圖10。

圖9 普通鋼筋混凝土板等效應(yīng)力云圖Fig.9 Equivalent stress cloud map of ordinary reinforced concrete slab

圖10 碳纖維復(fù)合加固板等效應(yīng)力云圖Fig.10 Equivalent stress cloud map of carbon fiber composite reinforced concrete slab

從圖9、10中可以看出,在燃?xì)夂奢d作用初期,普通鋼筋混凝土板和碳纖維復(fù)合加固板的應(yīng)力分布相似,2種板四邊支座的等效應(yīng)力較大,板中間的等效應(yīng)力較小。隨著荷載持續(xù)作用,普通鋼筋混凝土板和碳纖維復(fù)合加固板破壞狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閺澕羝茐?2種板的板頂混凝土主要為受壓,而板底為受拉。2種板底部混凝土在t=289ms時(shí)出現(xiàn)破壞,混凝土出現(xiàn)裂縫,呈受彎破壞形態(tài)。此時(shí)普通鋼筋混凝土板上的裂縫要多于碳纖維復(fù)合加固板。隨著時(shí)間推移,2種板的中心裂縫逐漸變大,普通鋼筋混凝土板中心逐漸出現(xiàn)穿透裂縫,而碳纖維復(fù)合加固板沒(méi)有出現(xiàn)貫穿裂縫。但2種板的中心裂縫均向四邊擴(kuò)展,在板底均形成了幾條由板中心指向四角的斜裂縫,裂縫呈現(xiàn)一種對(duì)稱的分布方式,2種板整體為中心以受彎為主,板四邊固支區(qū)域?yàn)閺澕艟C合作用的破壞形態(tài)。但是碳纖維復(fù)合加固板在板底出現(xiàn)的裂縫數(shù)量要少于普通鋼筋混凝土板,同時(shí)碳纖維復(fù)合加固板也沒(méi)有出現(xiàn)貫穿裂縫,裂縫數(shù)量較少說(shuō)明使用碳纖維布和碳纖維筋加固后的復(fù)合加固板的抗爆性能提升。

碳纖維復(fù)合加固板上碳纖維布的等效應(yīng)力,如圖11。在燃?xì)夂奢d作用初期等效應(yīng)力主要集中在碳纖維布的中心位置,并由中心向四周傳遞。碳纖維布主要承受拉應(yīng)力,由于碳纖維布的抗拉力性能較高沒(méi)有被拉斷,一直處于彈性階段。內(nèi)嵌的碳纖維筋軸向應(yīng)力最大時(shí)的軸向應(yīng)力,如圖12。由圖12可知,碳纖維筋中間明顯向下彎曲,中間應(yīng)力最大,最大應(yīng)力為1205.49MPa,沒(méi)有達(dá)到碳纖維筋斷裂的極限抗拉強(qiáng)度,應(yīng)力由中心向兩邊逐漸減小,碳纖維筋主要受拉。

圖11 碳纖維布等效應(yīng)力云圖Fig.11 Equivalent stress cloud map of carbon fiber cloth

圖12 內(nèi)嵌碳纖維筋軸向應(yīng)力云圖Fig.12 Axial stress cloud map of embedded carbon fiber bars

普通鋼筋混凝土板和碳纖維復(fù)合加固板的位移時(shí)程曲線,如圖13。普通鋼筋混凝土板的最大位移為123.08mm,當(dāng)達(dá)到最大位移后測(cè)點(diǎn)處的混凝土發(fā)生剝落,所以僅取該點(diǎn)混凝土剝落時(shí)的最大位移。碳纖維復(fù)合加固板的最大位移為43.98mm,位移峰值降低了63.08%,加固效果較為明顯,主要原因是加固板底面粘貼的碳纖維布和內(nèi)嵌的碳纖維筋對(duì)板底的裂縫進(jìn)行了限制,遏制了碳纖維復(fù)合加固板的破壞,增強(qiáng)了碳纖維復(fù)合加固板的整體性,提高了碳纖維復(fù)合加固板的抗彎剛度。

圖13 2種混凝土板的位移時(shí)程曲線Fig.13 Displacement time history curve of concrete slab

3.2 不同碳纖維復(fù)合加固方式

碳纖維布粘貼在板底的方式為中心粘貼、田字粘貼和均勻粘貼,內(nèi)嵌在板底的碳纖維筋為井字形和川字型,將3種碳纖維布粘貼方式和2種不同的碳纖維筋內(nèi)嵌方式組合在一起,可以得到6種碳纖維復(fù)合加固板的方法,如圖14。

圖14 不同碳纖維復(fù)合加固方式Fig.14 Carbon fiber composite reinforcement methods

6種不同碳纖維復(fù)合加固板位移時(shí)程曲線,如圖15。由圖15可知,Z-CZ-JG型加固方式在板底所測(cè)得的位移峰值最小,位移峰值為36.38mm,J-JZ-JG型加固板的位移最大,為43.98mm,兩者相比,Z-CZ-JG型加固板位移相比于J-JZ-JG型加固板減小了17.28%。由圖16可以看出,J-JZ-JG型加固板上碳纖維布的單元應(yīng)力最大,為835.69MPa,Z-CZ-JG型加固板上碳纖維布的單元應(yīng)力最小,為488.78MPa。綜上,Z-CZ-JG型可以提高加固板的整體性,降低加固板的整體應(yīng)力水平,對(duì)板上裂縫的擴(kuò)展起到一定的遏制作用,所以,Z-CZ-JG型加固方式的加固效果最好。

圖15 碳纖維復(fù)合加固板位移時(shí)程曲線Fig.15 Displacement time history curve of carbon fiber composite reinforced plate

(a)整體圖 (b)局部放大圖圖16 碳纖維布上相同位置最大主應(yīng)力時(shí)程曲線Fig.16 Time history curve of maximum principal stress at the same position on carbon fiber cloth

3.3 碳纖維布粘貼層數(shù)

在確定了加固方式為Z-CZ-JG型加固方式的情況下,不改變其他參數(shù),考慮粘貼碳纖維層數(shù)對(duì)碳纖維復(fù)合加固板抗爆效果的影響,如圖17。由圖17可知,當(dāng)粘貼層數(shù)由1層增加到5層時(shí),加固板的最大位移為36.38、28.69、25.01、21.49、18.39mm。每增加1層碳纖維布,前一層與后一層的位移差值分別為7.69、3.68、3.52、3.1mm,當(dāng)碳纖維布層數(shù)在2層以上時(shí),位移下降幅度越來(lái)越來(lái)小?？紤]到安全性與經(jīng)濟(jì)型,粘貼層數(shù)為2層時(shí)較好。

(a)整體圖 (b)局部放大圖圖17 不同粘貼碳纖維層數(shù)時(shí)位移時(shí)程曲線Fig.17 Displacement time-history curve with different number of carbon fiber layers pasted

3.4 碳纖維筋間距

在確定加固方式為Z-CZ-JG型加固方式的情況下,不改變其他參數(shù),考慮碳纖維筋間距對(duì)碳纖維復(fù)合加固板抗爆效果的影響。只改變碳纖維筋間距,分別取@120、@160、@200、@240mm,碳纖維復(fù)合加固板最大位移,見(jiàn)表8。

表8 不同碳纖維筋間距板最大位移Tab.8 Maximum displacement of plates with different spacing of carbon fiber bars

由表8可知,在改變碳纖維筋間距,配筋率不變,減小碳纖維筋間距,板的峰值位移減小。隨著碳纖維筋間距的減小,峰值位移由37.70mm減小到36.02mm,位移減小4.66%。說(shuō)明在配筋率不變時(shí),僅改變碳纖維筋的間距對(duì)提高碳纖維復(fù)合加固板的抗爆效果不明顯。

4 結(jié)論

(1)對(duì)比普通鋼筋混凝土板和碳纖維復(fù)合加固板在燃?xì)夂奢d下的抗爆性能,發(fā)現(xiàn)碳纖維材料主要是在荷載作用后期發(fā)揮作用,碳纖維能夠遏制鋼筋混凝土板上裂縫的擴(kuò)展,提高碳纖維復(fù)合加固板的整體性,提高碳纖維復(fù)合加固板的抗彎剛度。

(2)不同的加固方式對(duì)加固板的加固效果有一定影響,在6種不同碳纖維復(fù)合加固方式中,Z-CZ-JG型(即碳纖維布中間粘貼、川字型內(nèi)嵌碳纖維筋加固板)加固方式在燃?xì)夂奢d作用下的抗爆性能最好。

(3)采用Z-CZ-JG型加固方式,其他條件不變的情況下,隨著碳纖維布層數(shù)的增加,加固板的抗爆性能得到提高,但當(dāng)碳纖維布層數(shù)在2層以上時(shí),位移下降幅度越來(lái)越小。考慮到安全性與經(jīng)濟(jì)型,粘貼層數(shù)為2層時(shí)較好;減小碳纖維筋間距,配筋率不變時(shí),改變碳纖維筋的間距可以提高加固板的抗爆性能,但是提高效果不明顯。