爆炸荷载下钢筋混凝土框架结构连续倒塌分析方法比较.pdf
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1、第 3 2卷 第 1期 2 O 1 5年 1月 建 筑科 学与 J o u r n a I o f Ar c h i t e c t u r e 工程 学报 a n d C i v i l En g i n e e r i n g Vo1 3 2 NO 1 J a n 2 O 1 5 文章 编号 : 1 6 7 3 - 2 0 4 9 ( 2 0 1 5 ) 0 1 0 0 6 4 0 9 爆 炸荷载 下钢筋混凝土框 架结构连续倒塌 分析方法 比较 姚 宇飞 , 师燕超 , 李 忠献 ( 天津大学建筑工程学 院 。 天津3 0 0 0 7 2 ) 摘 要 : 运 用显 式动 力有 限元 分析软
2、 件 L S D YNA 建 立 了一个 四层 两跨 钢 筋混 凝 土框 架结 构 的有 限 元模 型 , 并对 其施 加爆 炸荷 载 , 在爆 炸荷 载仅 引起 结构 关键 柱失 效 的情 况下 , 研 究 了不 同比例 距 离 爆 炸荷 载作 用下钢 筋混凝 土结构 的动 力响应 及倒 塌过 程 ; 同时采 用 美 国国防部 2 0 0 9年 出台的建 筑 物抗 连 续倒塌 设计规 范 UF C 4 - 0 2 3 0 3中推 荐使 用的替 代传 力路 径 法 对相 同的 四层 钢 筋 混凝 土框 架结 构进行 了非线性 动 力连 续倒塌 分析 。通过 比较 研 究上述 数值 分析 结 果
3、 , 揭 示 了 UF C 4 - 0 2 3 0 3 规范推荐使用的替代传力路径分析方法的不足, 进 而对考虑爆 炸荷载作 用的结构抗连续倒塌分析 设 计 方 法的改进 提 出了设 想 。研 究 结果表 明 : 通过 引入 爆 炸荷 载放 大 系数 来 考虑 爆 炸荷 载 作 用 的 影 响具 有 更广 的适 用范 围 。 关 键词 : 钢 筋混 凝 土框 架结构 ; 爆 炸 荷载 ; 连 续倒塌 ; 数值模 拟 ; 非 线性动 力分析 中图分 类号 : TU3 7 5 4 文献标 志码 : A Co mpa r i s o n o f Pr o g r e s s i v e Co l l
4、 a p s e Ana l y s i s M e t h o d s f o r RC Fr a me S t r u c t u r e s Un d e r Bl a s t Lo a d s YAO Yu f e i ,SH I Ya n c ha o,LI Zho n g x i a n ( S c h o o l o f Ci v i l En g i n e e r i n g,Ti a n j i n Un i v e r s i t y ,Ti a n j i n 3 0 0 0 7 2,Ch i n a ) Ab s t r a c t :The f i n i t e
5、e l e me n t mo de l of a f ou r s t o r e y t wo s pa n r e i nf o r c e d c on c r e t e (RC) f r a m e s t r uc t ur e wa s e s t a b l i s h e d us i n g t he e xp l i c i t d yn a mi c f i n i t e e l e m e n t a na l y s i s s o f t wa r e LS DYNA I n t h e c a s e of o nl y ke y c o l u mn f
6、a i l u r e du e t o b l a s t l oa ds , t he dy na mi c r e s p on s e a n d c ol l a Ds e pr o c e s s o f t h e RC f r a m e s t r uc t u r e u nd e r b l a s t l o a d s o f di f f e r e nt s c a l e d di s t a nc e s we t e s t ud i e d M e a n whi l e,no nl i n e a r d y na mi c a na l ys i s
7、of t he s a m e f o ur s t or e y s t r uc t ur e wa s do ne us i n g a l t e r na t e pa t h m e t hod r e c o mm e nd e d by t he UFC 4 - 0 2 3 0 3 wh i c h wa s pub l i s h e d i n 2 0 09 by Uni t e d S t a t e s De pa r t m e n t of De f e nc e Thr ou g h c o m p a r a t i v e s t u dy b a s e d
8、 o n t h e n ume r i c a l a n a l y s i s r e s uhs a b ov e, i t r e ve a l e d t he d e f i c i e n c y o f t he a l t e r n a t e p a t h a n a l y s i s m e t ho d Fu r t he r mo r e 。 t h e p r o po s a l o f t he i mpr ov e d a n a l y s i s a nd d e s i gn m e t ho d o f bu i l di ngs t o r
9、e s i s t pr o gr e s s i v e c o l l a ps e d ue t O bl a s t wa s ma d e The s t u dy r e s ul t s s h ow t h a t c o ns i d e r i n g t he i n f l ue nc e of b l a s t l o a d b y i nt r odu c i ng t h e b l a s t l o a d f a c t or ha s a br o a d e r a pp l i c a bl e s c o pe Ke y wo r ds :r e
10、 i n f o r c e d c on c r e t e f r a m e s t r uc t u r e ;b l a s t l o a d;p r og r e s s i v e c o l l a ps e;nu m e r i c a l s i mu I a t i o n ;n o n l i n e a r d y n a mi c a n a l y s i s 收 稿 日期 : 2 O 1 4 0 9 0 7 基金项 目: “ 十二五” 国家科技支撑计划项 目( 2 0 1 2 B A J 0 7 B 0 5 ) 作者简介 : 姚宁飞( 1 9 8 5) , 女
11、 , 黑龙江哈尔滨人 , 工学硕士 , E ma i l : y y f y c h g 一 2 s i n a c o rn。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 6 建筑科 学与工程 学报 2 O 1 5鼻 采 用 MAT P L AS T K1 NE MAT I C弹 塑 性 材 料 模 型模拟 , 同样 考虑 了材 料 的应 变率 效 应 。混 凝 土 和钢 筋 材料 的参 数 如 表 1所示 。地 面 采 用 MAT一 性 地 面 之 间 的 相 互 作 用 采 用C ONTAC TAU
12、TOM AATI C SI NGI ES URF AC E接 触 分 析 模 型 模 拟 。本文 中 采用 K C模 型 来 考 虑 钢筋 、 混 RI GI D模型 模 拟 。钢 筋 混 凝 土 构 件 之 间 及 其 与 刚 凝 土 的应变 率效 应 。 表 1 混 凝 土 和钢 筋 材 料 参数 Ta b 1 Pa r a m e t e r s o f Co nc r e t e a nd St e e l M a t e r i a l s 混凝 土 钢筋 轴心抗压强度 MP a 弹性模量 G P a 泊松 比 密度 ( k g m ) 轴心抗压强度 MP a 弹性模量 ( I a
13、泊松 比 3 O 2 3 0 2 2 5 0 0 3 3 5 2 3 5 2 0 0 O 3 本 文 中采用 了混 凝 土侵 蚀 算 法 , 该 算 法 可 以模 拟 混 凝 土 的 压 碎 和 断 裂 , 有 一 系 列 的 判 断 准 则 。 L u c c i o n i 等 对采 用 了侵 蚀算 法 的诸 多 文献 进 行 了 汇总 和分 析 , 本 文参 考其 中提 出的准 则 , 通 过 比较 与 试 算选 取 了最 大主应 变 临界值 0 1和最 大剪应 变 临 界值 0 9为梁柱混凝土单元侵蚀判断依据 , 选取 了最 小 主 应 变 临界 值 一0 0 l为 楼板 混 凝 土
14、单元 侵 蚀 判 断依 据 ”。 1 3 荷 载 竖 向荷载 采用 UF C 4 - 0 2 3 0 3规 范 中的 荷 载组 合方 式 , 考 虑恒 荷 载及部 分活 荷载 , 其荷 载组 合 为 G一 1 2 D + 0 5 L ( 1) 式 中 : D 为结构 自重 恒荷 载 ; L为结 构活 荷载 。 侧 向荷载 取 单 层 总 荷 载 的 0 2 , 并 分 别 施 加 在每 层侧 面 。建模 时 未 建 立 填 充墙 模 型 , 但 其 重 量 以分 布荷 载 的形式 施 加 到 四周 的 支撑 梁 上 , 填 充 墙 采用 混 凝 土空 心砖 砌 筑 时 重 度 为 1 5 k
15、N m, 而 采用 机 制 红 砖 砌 筑 时重 度 约 为 2 0 k N m , 楼 面 和 屋面荷 载 取 4 k P a 。 爆 炸荷 载 用 I S D YNA 中 的 I ( ) AD B L AS T E HANC E D命 令 沿 轴 正 向施加 到结 构 表 面上 , 该 命令 采用 的爆 炸荷 载 曲线是 美 国抗偶 然爆 炸结 构设 计手 册 TM 5 - 1 3 0 0 “ 中根 据 大 量 试 验 分 析 得 到 的 不 同质 量炸 药在 不 同位置爆 炸后 作用 在结 构上 的反 射 超压 随时 间变 化 曲线 , 通 过定 义炸 药量 、 起爆 位置 而 自动 施
16、加 在结 构 表 面 上 , 并 考虑 了爆 炸 波 到 结 构 不 同位 置 的传播 时 间 、 入 射 角度 及 峰 值 荷 载 大 小 的 不 同。 1 4爆 炸荷 载下 的数值 模 拟 运用 上 述 建 立 的有 限 元模 型 , 采 用 直 接模 拟 方 法, 对 四层钢筋混凝土框架结构在不同 比例距离 的 爆 炸简 载作 用下 的动 态响应 和破 坏倒 塌过 程进行 模 拟。为了与采用替代传力路径法计算的结果进行对 比 , 在选 取爆 炸荷 载 时 , 仅 考虑 爆炸 引起 结构底 层 中 柱 失效 和 引起 结 构 底 层 边 柱 失 效 的 2组 爆 炸 荷 载 工 况 。 1
17、 4 1 仅底 层 中柱破 坏 在 四层 框 架结 构 模 型上 施 加 恒荷 载 和 活荷 载 , 经历 1 0 0 ms 后 , 结构 基本 达 到静力 平衡 。 因此 在 时 间 f 一1 0 0 ms 时 的瞬 间 对结 构施 加 爆 炸 荷 载 , 并 模 拟整体结构的动力响应、 损伤破坏及连续倒塌过程 。 将爆 炸荷 载施 加到结 构 面 向爆 炸 冲击波 一侧 的 柱 和梁上 , 不考 虑 地 面 爆 炸 冲击 波 的反射 作 用 。假 定 炸药位 于 中 柱 C 2 ( 图 1 ) 正 前 方 ( 轴 负 向) 3 I n 处 , 通过 试算得 到 比例距 离 D在 0 4 5
18、 m k g 邝到 o 7 5 m k g 之 间时 , 爆 炸 荷 载作 用后 结 构 只有 底层 中柱 出现初 始破 坏 , 而邻 近 构 件 只有 初 始 速 度 或 轻微初 始 损伤 。所放 置炸 药量 与 比例距离 关 系见 表 2 。爆 炸荷 载 比例 距 离 为 o 7 0 m k g ” 时 , 结 构 在 7 0 0 ms 时的 响应情 况如 图 2所示 。 表 2 中柱前方 3 m处炸药量与 比例距离关 系 Ta b 2 S c a l e d Di s t a nc e Ve r s u s Ex pl o s i v e W e i g ht a t 3 m i n F
19、r o nt o f M i d c o l um n 比例距离 ( mk , ) 0 4 5 0 5 0 0 5 5 0 6 0 0 6 5 0 7 0 0 7 5 炸 药 量 k g 2 9 6 2 l 6 1 6 2 1 2 5 9 8 7 9 6 4 1 4 2仅 底 层 边 柱 破 坏 同底 层 中柱破 坏 分 析过 程 类 似 , 假定 炸 药 位 于 边柱 C 3 ( 图 1 ) 正前方( 轴负向) 3 m处 , 试算 出爆 炸荷 载作 用下 仅底 层 边 柱 破坏 的 比例 距 离 范 围 为 : 在墙 体重 度 p为 l 5 k N i1 1 时 , 比例 距 离 为 0 4
20、 5 m k g 到 o 7 0 n lk g ; 在 墙 体 重 度 为 2 0 k N m 时 , 比例 距 离 为 0 4 5 m k g 到 o 7 5 m k g 。爆炸 荷载 比例 距 离 为 o 6 5 m k g 时 , 结构 在 7 0 0 ms 时 的响应如 图 3 所 示 。 2替代传 力路径 法 采用美 国 UF C 4 - 0 2 3 0 3中推 荐 使 用 的替 代 传 力路 径法对 上述 四层 钢筋 混凝 土框 架结 构进行 非 线 性 动力连 续倒 塌性 分 析 , 即对 整 体 结 构施 加 竖 向荷 载 至结构 达 到静力 平衡 , 然后 瞬 间移 除关键
21、柱 , 对 剩 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1期 姚 宇飞 , 等 : 爆炸 荷 载下钢 筋混凝 土框 架 结构连 续倒 塌 分析 方法 比较 6 9 , 曰 宣 g 蚓 足 r 图 8 底层 中柱顶点 c的 y向速度时程 益线 Fi g 8 y - di r e c t i o n Ve l o c i t y Ti me - h i s t o r y Cu r ve s o f Po i n t C , 县 一 吕 g一
22、一 厦 图 9 底层 中柱顶点 C的z向速度时程 曲线 Fi g 9 z di r e c t i o n Ve l o c i t y Ti m e - hi s t o r y Cu r v e s o f Poi nt C 作用 后 , C点 的 向速 度 在 几 毫 秒 内迅 速增 大 而后 减小 至 O左右 , 在 比例 距 离大 于 0 7 0 m k g 邝时 , 结构 开 始 出 现 倒 塌 现 象 后 向速 度 随 后 又 开 始 增 大 。c点 向速 度也 在爆 炸荷 载作 用 后初 始 几 毫秒 内迅 速 增大 , 而 后 略有 回落 , 在 比例 距 离 大 于 0 7
23、 0 I T I k g 邝 后 向速 度 随 后 也 增 大 。爆 炸荷 载越 大 其初始速度峰值及随后的速度也就越大。 二层中柱中点 D 的 Y向速度、 加速度时程 曲线 分 别如 图 1 O , 1 1 所 示 。从 图 1 O , 1 1可 以 看 出 , 在 非 线性 动 力分 析 中 由于 结 构 没有 受 到 沿 Y向 的 动力 , 所 以二层 中柱 中点 D 沿 向上 速 度 几乎 为 0 , 而 结 构 的加 速度 也 是在 一定 范 围 内变 化 。有爆 炸 荷载 作 用 时 , D点 位置 的单元 受 到 了爆 炸 荷 载 的作 用 而 瞬 问产生了初始速度和初始加速度
24、, 并且爆炸荷载作 用 越 大其产 生 的初 始速 度 和加速 度 也就越 大 。在 比 例 距离 大 于 0 7 0 m k g 邝后结 构 开始 出现倒 塌 现 象 , D点 向速度随后也开始增加, 爆炸荷载越大, 速 度 增加 越大 , 结 构倒 塌也 越快 。 在 墙体 重 度 为 2 0 k N m 时 , 四 层 框 架 中 柱 顶 点 A 竖 向位 移 时程 曲线 如 图 1 2所 示 。所 考 察 的 l 号 钢筋 单元 轴 向应 力 时程 曲线 如 图 1 3所 示 。 4 5 e 3 5 2 5 量 o 5 一 o 5 1 5 ; 襄 时 I司 ms D=O 4 5m k
25、g 一 一 D= O 5 0m k g 一D= 0 5 5m k g 一 一 D= O 6 0m k g 一 一 D= O 6 5m k g 一 D= O 7 0m kg 一 D= 0 7 5m k g 非线 性 动 力 分析 结果 图 1 0 二层中柱中点 D的 Y向速度时程 曲线 Fi g 1 0 y - d i r e c t i o n Ve l o c i t y Ti m e - hi s t o r y Cur v e s o f Po i nt D 时 间 ms D= O 4 5m k g 一 D=O 5 0m k g 一 。 一D= 0 5 5m k g - D=0 6 0m
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- 关 键 词:
- 爆炸 荷载 钢筋混凝土 框架结构 连续 倒塌 分析 方法 比较
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