logo资料库

爆炸作用下高层钢筋混凝土结构的连续倒塌分析.pdf

发布时间：2022-05-29 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：1.02M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
第1页 / 共9页
第2页 / 共9页
第3页 / 共9页
第4页 / 共9页
第5页 / 共9页
第6页 / 共9页
第7页 / 共9页
第8页 / 共9页
资料共9页，剩余部分请下载后查看
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 爆炸作用下高层钢筋混凝土结构的连续倒 塌分析# 刘卫宗1，师燕超1,2** 5 10 15 （1. 天津大学建筑工程学院，天津，300072； 2. 天津大学滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室，天津，300072） 摘要：爆炸作用下结构构件的动力响应通常采用精细化模型进行模拟，但由于模型尺寸大、 单元数量多、计算量大等特点，精细化模型难以应用于高层建筑结构的分析。针对爆炸作用 下高层建筑结构倒塌的阶段和特点，将高层建筑结构分为三个区域，提出了一种针对爆炸作 用下分析的多尺度模型建立方法。使用该方法建立了某高层钢筋混凝土结构的多尺度有限元 模型，研究了 5000kg TNT 当量炸药在不同位置和不同比例距离下发生爆炸时结构的连续倒 塌分析。结果表明：爆炸作用下，柱底倾向于发生直剪或斜剪破坏；柱丧失承载力后结构倾 向于发生局部倒塌，刚度较大的柱在内力重分布时承担了部分内力，阻止了倒塌范围的扩大； 爆炸距离结构很近时，结构破坏范围较小，爆炸距离适当增大时对结构的破坏更加严重，对 于本文中的结构，爆炸距离 6.8~7.5m 为最不利的爆炸区域。 关键词：爆炸作用；多尺度模型；高层建筑结构；比例距离；倒塌分析；最不利爆炸区域 中图分类号：TU398.9 20 Numerical analysis of progressive collapse of high-rise reinforced concrete structure under blast loading LIU Weizong1, SHI Yanchao1,2 25 30 35 (1. School of Civil Engineering, Tianjin UNiversity, Tianjin, 300072; 2. Tianjin University, Key Laboratory of Coast Civil Structure Safety of Ministry of Education, Tianjin, 300072) Abstract: IThe dynamic response of structural member under blast loading is normally simulated using microscopic model, which cannot be used for analysis of high-rise structure due to large size of model, big amounts of elements and long computing time. High-rise structure is divided into three regions based on its collapse stages and characteristic. A new method of multi-scale modeling is proposed for structure analysis under blast loading. Simulation results of progressive collapse of a multi-scale finite element model of a high-rise reinforced concrete structure to blast load from a 5000kg TNT explosion at different positions and distances are presented. The numerical results show that direct shear or oblique shear failure tends to occur at the bottom of column; component damage only lead to collapse within the span, other than adjacent spans, because columns bear a lot in force re-distribution; only local damage occur to blast at a very small distance, while severe damage occur when distance increase properly; 6.8~7.5m is the most harmful area to structure in this paper. Key words: blast loading; multi-scale model; high-rise structure; scale distance; progressive collapse analysis; most harmful area 40 0 引言 自 2001 年 9 月 11 日纽约世贸中心大楼遭受恐怖袭击倒塌以来，爆炸作用下高层建筑结 构的动力响应受到了工程界的关注。为了得到较为准确的数值模拟结果，研究人员通常 基金项目：天津市自然科学基金（12JCQNJC04800）；高等学校博士学科点专项科研基金（20100032120042） 作者简介：刘卫宗(1989-), 男, 硕士生, 主要研究方向: 爆炸荷载下高层结构连续倒塌分析 通信联系人：师燕超（1982-），男，副教授，主要研究方向：重要建筑结构抗爆设计理论与技术. E-mail: yanchaoshi@tju.edu.cn - 1 -
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 45 采用精细化模型进行结构响应分析。但是由于模型尺寸大、单元数量多等特点，精细化模型 常用于构件和小型结构，难以应用于高层建筑这样的大型结构。 多尺度模型分析的核心思想为：在关心的局部使用精细化模型，在其它部分使用宏观模 型，通过适当的连接使二者协同计算，以得到更为准确的结构整体和局部的响应[1]。该方法 已经在抗震领域取得了一些成果[1-2]。爆炸作用下，结构的响应和破坏通常从局部开始，并 可能由此导致结构的倒塌。基于这一特点，爆炸作用下结构的动力响应很适合使用多尺度模 型进行分析，可以在计算精度和计算代价之间取得平衡。目前结构爆炸响应分析中多尺度方 法研究的较少，通常是简单的把受爆区内的一根或几根构件改为精细化模型，并未考虑如何 恰当的划分不同尺度模型间的区域范围[3-4]。精细化区域过大，则降低计算效率、浪费计算 资源；精细化区域过小，则计算结构不准确。因此有必要研究不同尺度之间区域范围的确定 方法。 本文提出了一种针对爆炸作用下高层建筑结构连续倒塌分析的多尺度建模方法：根据爆 50 55 炸作用下结构响应的阶段和特点，将整体结构分为三个区域，采用不同尺度的模型进行模拟， 并引入迭代法以确定不同尺度区域的范围。将该方法应用于某高层钢筋混凝土结构，使用非 线性显式动力有限元分析软件 LS-DYNA，对于在结构不同位置、不同距离处 5000kg TNT 60 当量爆炸作用下结构的连续倒塌进行了模拟分析，研究了结构的倒塌机理以及最不利的爆炸 位置区域。 1 多尺度有限元模型的建立 某高层钢筋混凝土建筑为框架——核心筒结构，共 27 层，1-3 层层高为 5.2m，4-27 层 层高为 3.4m，总高 97.2m。1-3 层及 4-27 层平面图如图 1 所示。结构平面尺寸为 31.2×31.2m， 65 x 向柱距为 6.7m 和 8.9m，y 向柱距为 7.8m。结构梁、柱、剪力墙均为钢筋混凝土构件。混 凝土强度等级为 C40，钢筋为 HRB400。柱截面尺寸由底层的 1.2×1.2m 逐渐过渡到顶层的 0.8×0.8m；主梁最大截面尺寸为 0.6×0.75m，最小为 0.6×0.6m，次梁截面尺寸为 0.25×0.5m。 角柱配筋率为 1.8%，边柱为 1.6%，其余柱为 1.5%；主梁配筋率为 2.0%，次梁为 1.5%。 70 （a）1-3 层 （b）4-27 层 图 1 高层结构平面示意图 Fig.1 Layout of high-rise structure 1.1 多尺度模型的区域划分 基于爆炸作用下结构响应的特点，将高层结构划分为三个区域：爆炸直接相关区、爆炸 75 间接相关区和爆炸无关区。 （1）爆炸直接相关区 爆炸直接相关区为爆炸冲击波直接作用并造成损伤的区域，该区域直接承受爆炸荷载， 受力最复杂，属于需要最精细分析的部分。建立该部分的分离式钢筋混凝土模型，采用实体 单元模拟混凝土，采用梁单元模拟纵筋和箍筋[5]。该部分必须考虑钢筋和混凝土的应变率效 80 应和失效。 （2）爆炸间接相关区 爆炸间接相关区为爆炸直接相关区的上方，即直接相关区破坏后可能导致倒塌的区域， - 2 -
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 该区域承受动力荷载，响应较为复杂，属于需要精细分析的部分。采用梁单元纤维模型模拟， 并分别定义钢筋和混凝土的本构曲线和失效准则，可以较为精确的模拟梁、柱的动力响应[6]。 85 （3）爆炸无关区 爆炸无关区为爆炸相关区以外的区域，该区域既无破坏又不会倒塌，受力处于弹性区域， 属于不需要精细分析的部分。为提高计算效率，只需采用普通的梁单元即可满足计算精度的 要求。 在直接相关区和另外两个区域的界面连接处使用 LS-DYNA 提供的 90 NODAL_RIGID_BODY 关键字生成节点刚性体来保证截面位移和转角的协调[7]。 1.2 多尺度模型区域范围的确定 （1）确定爆炸荷载位置 爆炸作用在结构的不同区域，导致的结构响应不同，首先应通过概念分析或参考 DoD （美国国防部编制的《结构抗连续倒塌设计》）中的规定，找到破坏后最可能导致倒塌的柱 子，将其设为爆炸荷载的目标柱[8]。 95 （2）初步划分多尺度区域 不同结构、不同爆炸荷载下各区域大小不同，可初步将含目标柱在内的 1 跨 1 层内的柱、 梁划分为直接相关区；将直接相关区上方直至顶层的柱、梁划分为间接相关区；将其它区域 划分为无关区。 100 （3）结构动力响应分析 将爆炸荷载作用在直接相关区的梁、柱等构件上，进行结构响应分析。 （4）根据分析结果优化多尺度区域的划分 查看三个区域连接部分的响应，根据以下原则调整区域的划分：○1 查看直接相关区与间 接相关区的连接区域，若连接处单元进入达到失效准则，则扩大直接相关区的范围，直到连 105 接处单元未失效；○2 查看爆炸无关区与相关区的连接区域，若连接处构件进入塑性，则扩大 相关区的范围，直到无关区构件均处于弹性受力阶段。 （5）更新结构区域划分并重新进行动力响应分析 （6）重复步骤（4）和步骤（5）直至结束。 经过以上的迭代分析，可以得到最终的多尺度模型，如图 2 所示。 110 1.3 材料模型 115 （1）直接相关区 (a) 角柱附近爆炸 (b) 中柱附近爆炸 图 2 多尺度有限元模型 Fig.2 Multi-scale finite element model 采用 MAT_CONCRETE_DAMAGE_REL3（72 号 r3 材料）模拟混凝土，采用 - 3 -
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn MAT_PLASTIC_KIINEMATIC（3 号材料）模拟钢筋[7]。使用 MAT_ADD_EROSION 关键字 来定义混凝土材料的失效应变[7]。需要说明的是，失效应变与单元网格尺寸有关，必须反复 试算才能取得较好效果，本文采用 0.15。对于钢筋的失效，经过试算，当塑性应变达到 0.15 120 时删除单元比较合理。 （2）间接相关区 采用 MAT_PLASTICITY_COMPRESSION_TENTION（124 号材料）来模拟纤维梁单元， 该材料可以定义钢筋和混凝土的塑性应变-应力曲线，并可以考虑材料的失效[7]。使用欧洲 规范[9]计算出准确的混凝土受压本构曲线，将混凝土的失效塑性应变设置为 0.003，对应的 应力约为 16MPa，将钢筋的失效塑性应变设置为 0.2，对应的应力为 480MPa。 125 （3）无关区 采用 MAT_RC_BEAM（174 号材料）模拟普通梁单元，采用 MAT_RC_SHEAR_WALL （194 号材料）模拟剪力墙。MAT_RC_BEAM 材料的主要特点是其滞回性能，常用于地震 分析，通过配筋率模拟钢筋混凝土构件[7]。MAT_RC_SHEAR_WALL 用于壳单元，主要用 来模拟剪力墙，同样通过配筋率来考虑钢筋的作用[7]。 130 1.4 应变率效应 爆炸作用下，材料的应变率可高达 1000s-1[10]，材料强度会显著提高[10-11]，因此在爆炸 直接相关区考虑材料的应变率效应。通常采用动力增大系数（DIF）来考虑，动力增大系数 为材料在动力响应和静力响应下的强度之比。 135 混凝土强度的 DIF 采用 K&C 模型[12]。抗拉时由下式确定： ， ； （1） 式中，ft 为应变率为 时混凝土的动力抗拉强度；fts 为应变率为 时混凝土的静力抗 拉强度； ，其中 ， ， 为混凝土静力单轴抗压 ， 。 （2） 140 强度。 抗压时由下式确定： ， ； （3） ， 。 （4） 式中，fc 为应变率为 时混凝土的动力抗压强度；fcs 为应变率为 时混凝土的 145 静力抗压强度； ，其中 ， 为混凝土的立方体静力抗 压强度。 钢筋强度的 DIF 采用 C&S 模型，由下式确定： （5） - 4 - δttstsfTDIFf11s1/3ttstsfTDIFf11s61ts10slog62cc01/(18'/')ffc0'10MPafc'f1.026αccscsfCDIFf130s1/3ccsfCDIFf130s61cs3010slog6.1560.49cu154/4fcuf1/1PDIFC
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 式中，C、P 为模型参数，对于钢筋通常取 C=40，P=5[7]。 150 1.5 荷载 使用 LOAD_BLAST_ENHANCED 关键字实现爆炸荷载的施加，使用该关键字只需提供 TNT 当量、爆炸位置坐标以及起爆时间[7]。作用在结构上的恒载和活载均为 3.5kN/m2，考 虑到爆炸发生时结构活载满布的机率很小，因此只考虑 0.5 倍的活载。分析时，首先在 0.5s 的时间内逐渐施加自重及恒活载，并持续计算至 1.0s，使结构受力平衡，然后施加爆炸荷载 155 进行计算。 2 高层结构连续倒塌机理分析 2.1 爆炸发生于角柱附近时 将炸药置于角柱 C1 正前方 8.5m 处，TNT 当量为 5000kg，比例距离为 0.5m/kg1/3。典型 时刻结构的塑性应变云图如图 3 所示，可以看出，破坏集中在角柱 C1 的一层柱底、二层柱 160 头以及相邻柱 C2 的一层柱底。 (a) 5ms 时 (b) 10ms 时 165 (c) 300ms 时 (d) 500ms 时 图 3 结构塑性应变云图 Fig.3 Contours of effective plastic strain of structure 图 4 同时显示了 C1 柱的破坏过程：首先，柱底与一层的梁几乎同时发生破坏，其中梁 被压碎，柱底为直剪破坏；随后，由于 C1 柱失去了梁的水平约束力，柱底破坏更加严重， 二层柱头也发生了剪切破坏；最后，由于水平位移过大，C1 柱丧失了竖向承载力。 170 图 4 结构竖向位移云图 Fig.4 Contours of vertical displacement of structure - 5 - C2 C1C2 C1C2 C1C2 C1
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 角柱 C1 破坏后丧失竖向承载力，梁——柱传力路径中断，结构发生内力重分布，倒塌 模式如图 4 所示，可见倒塌仅在 C1 柱所在跨内发生，而并未引起相邻跨的倒塌。 175 2.2 爆炸发生于中柱附近时 以中柱为目标柱，5000kgTNT 在比例距离为 0.5 m/kg1/3 的爆炸作用下，结构的塑性应变 云图如图 5 所示。首先 C3 柱底直剪破坏，同时支撑 C3 的梁被压碎，C3 柱产生了明显的水 平位移；随后 C4 柱柱底剪切破坏；最后 C3、C4 两根柱丧失竖向承载力。 180 (a) 5ms 时 (b) 10ms 时 (c) 300ms 时 (d) 500ms 时 图 5 结构塑性应变云图 Fig.5 Contours of effective plastic strain of structure 185 C3 柱正面和背面不同高度处的钢筋轴向应力时程曲线如图 6 所示。爆炸瞬间正面钢筋 0m 高处应力达到 700MPa；1m 高处剪切破坏严重，对应的钢筋应力峰值较高，约为 500MPa； 9m 高处由于受梁约束，剪力较大，对应的钢筋应力峰值约为 500MPa；5m 高处由于梁很快 破坏，无法提供足够的约束能力，剪力不大，对应的钢筋应力约为 250MPa。 C3、C4 柱破坏后结构竖向位移云图如图 7 所示，可见其倒塌模式与爆炸发生于角柱附 190 近较为一致。 图 6 C3 柱不同高度处钢筋轴向应力时程曲线 Fig.6 Axial stress time histories of reinforcement bars 图 7 梁 B3、B4 位置示意图 at different height in column 3 Fig7 Location map of BEAM 3 and BEAM 4 3 高层结构最不利爆炸位置区域研究 由前述可知，不同位置、不同距离处发生爆炸时，虽然结构的响应以及破坏、倒塌的机 理较为一致，但是破坏、倒塌的程度并不相同，为了确定最不利的爆炸位置区域，保持 TNT 当量为 5000kg 不变，改变爆炸点与结构之间的距离，进行结构动力响应计算。 - 6 - C4C3C4C3C4C3C4C3
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 195 LOAD_BLAST_ENHANCED 关键字限制最小比例距离为 0.18m/kg1/3[7]，因此分析比例 距离为 0.2~1.0 m/kg1/3，相应的实际距离为 3.4~17.0m。 3.1 爆炸对结构作用危险程度的评价指标 要比较不同位置爆炸对结构造成破坏的危险程度，首先需要确定评价指标。通过分析结 构的破坏和倒塌机理，选取柱底剪力、柱的水平位移、柱的竖向位移这三个指标来评价爆炸 200 造成的危险程度。 由 2.1 节可知，结构的破坏首先由柱底直剪开始，因此柱底剪力可以反映柱底的剪切破 坏程度；柱底和柱头剪切破坏后导致了柱产生水平位移，p-δ 效应显著增大，并致其丧失竖 向承载力，因此考察柱的水平位移；柱的竖向位移则反映了结构破坏后的倒塌程度。 3.2 爆炸发生于角柱附近 205 统计并分析上述不同比例距离爆炸时 C1、C2 柱的柱底水平剪力，如图 8 所示。可见随 比例距离的增大，C1 柱剪力峰值减小，且峰值出现的时间有所滞后。对于 C2 柱，随比例 距离的增大，剪力峰值先增大后减小，比例距离为 0.4~0.6 m/kg1/3 时剪力最大。产生上述现 象的原因在于比例距离小于 0.5 m/kg1/3 时爆炸冲击波与 C2 柱面之间角度较小，导致爆炸作 用较小，而比例距离大于 0.5m/kg1/3 时爆炸距离逐渐增大，导致爆炸作用减小。 210 215 (a) C1 柱 (b) C2 柱 图 8 柱 C1、C2 的剪力时程曲线 Fig.8 Shear force time histories of column 1 and column 2 不同比例距离爆炸时 C1、C2 柱不同高度处的水平位移如图 9 所示。可见 C1 柱水平位 移随比例距离的增大而减小。而对于 C2 柱，比例距离为 0.4~0.5m/kg1/3 时水平位移最大，约 为 0.14~0.18m，其它比例距离下柱的水平位移小于 0.02m，仅为最大水平位移的 11%。 220 (a) C1 柱 (b) C2 柱 图 9 柱 C1、C2 的水平位移时程曲线 Fig.9 Horizontal displacement time histories of column 1 and column 2 C1、C2 柱的竖向位移随比例距离变化如图 10 所示。可见 C1 柱的竖向位移随比例距离 的增大而减小。C2 柱的竖向位移在比例距离为 0.4~0.5m/kg1/3 时最大，并导致了结构的倒塌。 - 7 -
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 225 230 (a) C1 柱(b) C2 柱 图 10 柱 C1、C2 的竖向位移时程曲线 Fig.10 Vertical displacement time histories of column 1 and column 2 由以上分析可知，比例距离越小，C1 柱的破坏及其所在跨内的倒塌越严重；C2 柱的破 坏规律与 C1 柱并不相同，比例距离为 0.4~0.5m/kg1/3 时破坏和倒塌最为严重，而比例距离小 于 0.4m/kg1/3 和大于 0.5m/kg1/3 时结构仅发生一定程度的破坏，并未引起倒塌。 综上，对于整体结构而言，当比例距离小于 0.4m/kg1/3 和大于 0.5m/kg1/3 时结构倒塌范 围较小（仅 C1 柱所在跨内），当比例距离在 0.4~0.5m/kg1/3 之间时结构倒塌范围较大（C1、 C2 柱所在跨内）。因此对于角柱附近 5000kgTNT 当量爆炸时，0.4~0.5m/kg1/3 的比例距离为 最危险爆炸区域，对应的实际距离为 6.8~8.5m。 235 3.3 爆炸发生于中柱附近 C3、C4 柱上不同高度处水平位移时程曲线如图 11 所示，可见 C3 柱水平位移峰值随比 例距离的增大而减小。而对于 C4 柱，比例距离为 0.4~0.6m/kg1/3 时水平位移较大。 240 245 (a) C3 柱 (b) C4 柱 图 11 柱 C3、C4 的水平位移时程曲线 Fig.11 Horizontal displacement time histories of column 3 and column 4 C3、C4 柱竖向位移时程曲线如图 12 所示，可见 C3 柱竖向位移随比例距离的增大而减 小。而 C4 柱在比例距离为 0.4m/kg1/3 时竖向位移最大，比例距离为 0.5m/kg1/3 和 0.3m/kg1/3 时次之，比例距离大于 0.7 m/kg1/3 时结构未倒塌。 (a) C3 柱 (b) C4 柱 图 12 柱 C3、C4 的竖向位移时程曲线 Fig.12 Vertical displacement time histories of column 3 and column 4 - 8 -
    分享到：
    赞 收藏

    相关推荐

    资料库

    开发技术

    共收录19306份资料，累计14个分类，关注成员有19位，主要包括：Actionscript,Javascript,PHP,VB,Perl,Delphi,Python,C#,C,Java,C++,Web开发,硬件开发,其它

    热门标签

    Actionscript Javascript PHP VB Perl Delphi Python C# C Java C++ Web开发 硬件开发 其它

    最新资料