叠合板式混凝土墙不同接头形式抗爆性能分析.pdf
第3 l 卷第1 期 2 0 1 4 年3 月 爆破 B L A S T I N G V 0 1 .3 1N o .1 M a r .2 0 1 4 d o i 1 0 .3 9 6 3 /j .i s s n .1 0 0 1 4 8 7 X .2 0 1 4 .0 1 .0 3 2 叠合板式混凝土墙不同接头形式抗爆性能分析 周泽鑫,赵跃堂,杨心宇,储程,刘云 解放军理工大学国防工程学院,南京2 1 0 0 0 7 摘要 叠合板式钢筋混凝土墙应用已经比较广泛,但其接头方式对结构抗爆性能的影响还未不清楚。运 用数值模拟的方法对3 种不同接头方式下桁架式叠合板式钢筋混凝土墙的抗爆性能进行研究,计算了3 种 荷载条件下结构的动力响应,分析了结构中钢筋应变时程变化特征以及整体挠度和裂纹扩展演化规律,结果 表明装配整体式连接接头形式抗爆性能最好。在接头局部,试件侧墙与底板接头设置在距根部3 0 0m m 处 的抗爆性能优于接头设在根部附近的。但就整体变形而言,接头设在根部附近的试件抗爆性能要优于接头 设在距根部3 0 0m m 处的。数值模拟结果与试验结果对叠合板式混凝土墙接头形式优选具有一定的参考 价值。 关键词叠合板式混凝土墙;接头形式;优化选型;数值模拟 中图分类号0 3 8 9文献标识码 A 文章编号1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 4 0 1 0 1 3 8 0 6 A n a l y s i so nE x p l o s i o n - r e s i s t a n tP e r f o r m a n c eo fD i f f e r e n tJ o i n t s F o r mf o rL a m i n a t e dR CP a n e lW a l l Z H O UZ e x i n ,Z H A OY u e t a n g ,Y A N GX i n y u ,C H UC h e n g ,L I UY u n C o l l e g eo fD e f e n s eE n g i n e e r i n g ,P L A U S T ,N a n j i n g2 10 0 0 7 ,C h i n a A b s t r a c t T h el a m i n a t e dR Cp a n e lw a l lw a su s e dw i d e l y ,w h i l et h ei n f l u e n c eo fj o i n tf o r m so ne x p l o s i o n r e s i s t a n t p e r f o r m a n c eo fs t r u c t u r ew a sn o te x p l i c i t l ys t u d i e d .I nt h i ss t u d y ,t h ee x p l o s i o n r e s i s t a n tp e r f o r m a n c e so ft r u s s t y p e l a m i n a t e dR Cp a n e lw a l l so ft h r e ed i f f e r e n tj o i n t sw e r ea n a l y z e dw i t hn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ,r e s p e c t i v e l y .T h ed y n a m i c r e s p o n s e so ft h e s t r u c t u r eu n d e rt h r e el o a d i n gc o n d i t i o n sw e r ec a l c u l a t e d ,a n dt h es t e e ls t r e s sa n ds t r a i nv a r i a t i o n c h a r a c t e r i s t i c ,o v e r a l ld e f l e c t i o na n dc r a c k se v o l u t i o nr u l e sw e r ed i s c u s s e d .R e s u l t ss h o wt h a tt h ei n t e g r a la s s e m b l e d j o i n tf o r mw a so ft h eh i g h e s te x p l o s i o n r e s i s t a n tp e r f o r m a n c e .I nl o c a l i t yo fj o i n t ,t h ee x p l o s i o n r e s i s t a n tp e r f o r m a n c e o fs i d e w a l la n d b o t t o mp l a t es e ta t3 0 0m mt ot h ef o o tw a sh i g h e rt h a nt h a tn e a rt h ef o o t .H o w e v e r ,a sf o rt h eo v e r a l l d e f o r m a t i o n ,t h ec o n c l u s i o nw a sj u s to nt h er e v e r s e . K e yw o r d s l a m i n a t e dR Cp a n e lw a l l ;j o i n tf o r m ;o p t i m i z a t i o n ;n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 爆炸袭击作为恐怖活动中最常见和危害最大的 一种方式已经引起了世界各国的广泛关注㈦。钻 地武器制导精确越来越高,侵彻深度与爆炸威力越 来越大,地下防护工程的防护能力受到越来越大的 收稿日期2 0 1 3 1 1 2 1 作者简介周泽鑫 1 9 8 8 一 ,男,硕士研究生,从事地下结构计算理 论及应用研究, E - m a i l a n g e l 3 1 6 1 2 3 s o h u .c o m 。 通讯作者赵跃堂 1 9 6 7 一 ,男,教授、博士,从事地下结构计算理论 及应用研究, E - m a i l y u e t a n g z h 1 6 3 .c o r n 。 挑战嵋1 。叠合板式混凝土墙结构是经过两次浇筑 叠合而成的钢筋混凝土板状构件,在国内外已经有 广泛的研究旧’4o 。该结构体系在工厂预制、现场安 装与拼接,具有工厂化程度高、现场施工方便、快速, 易于控制产品质量且节约材料与环保等优点。在工 厂生产预制构件时,在预制墙板的两层板之间设置 格构梁钢筋,既可作为吊点,又可增加平面外刚度, 防止起吊时开裂。在使用阶段,格构钢筋作为连接 墙板的两层预制片与二次浇注夹心混凝土之间的拉 万方数据 第3 1 卷第1 期周泽鑫,赵跃堂,杨心宇,等叠合板式混凝土墙小同接头l 髟。℃抗始陀能j 滞i 结筋,同时也作为叠合板的抗剪钢筋,以提高结构的 整体性能和抗剪性能。但是,人民防空地下室设 计规范 G B 5 0 0 3 8 - - 2 0 0 5 没有明确的条文规定侧 墙是可采用叠合板墙∞J ,这给设计人员带来困惑, 给该项技术推广应用于防空地下室侧墙带来阻碍。 尤其是在爆炸荷载作用下的研究基本没有,因此深 入开展叠合板式墙抗爆性能研究很有必要。 W i l l i a m s 指出钢筋混凝土结构容易在构件节点 出发生破坏。6J ,因为在节点处容易形成塑性铰或者 产生塑性屈服。在叠合板墙实验的基础上重点研究 3 种不同接头形式的抗爆性能,并得出其优化选型 方案。 1 模型试验研究 1 .1 试件设计 所有试件的构件尺寸都一致墙截面b h 1 1 0 0m m 2 5 0I B m ,墙净跨L 3 0 0 0m m ,墙外侧} 昆凝 土保护层厚度取2 5m m ,墙内侧混凝土保护层厚度取 2 0m m 。内配直径为6m m 、1 0m m 、1 2m m 、1 4m m 的 四种H R B 4 0 0 型钢筋。共有3 种不同接头形式,B 1 和舰的接头分别设置在距侧墙与底板连接根部 3 0 0m m 和5 0m m 处,粥为装配整体式连接接头,一 般为人防地下室外墙。具体见下图1 ~图4 。 3 9 04 3 09 8 01 4 5 02 5 0 i R 是 姬1 4 1 7 0 更 爱 是 ,呈 5 0 I 7 2 07 2 07 4 07 2 0 l ,O 图1 试件平面图 单位1 1 ] n 1 F i g .1S p e c i m e np l a n u n i t i n n l 业1 4 17 0 l 一 3 0 0 一I 一 5 6 0 一I l 一一l 一一I 一 3 6 0 1 6 9 0 一I ., L入/\/\I o I 一 7 2 0 I o 5 0 寸 1 一 .业1 2 1 7 0 1 业1 2 15 0 ①1 4 1 5 0 图2 试件B 1 接头剖面图 单位l l l l 1 F i g .2 C r o s s s e c t i o n a lv i e wo fB 1 u n i t m e n 图3 试件磁接头剖面图 单位n l l U F i g .3 C r o s s s e c t i o n a lv i e wo fB 2 u n i t l n n l 一 一l 一 一 o 一3 1 0 。l 一 n 7 3 0 一, _I //\/_ ≮、/\ ‘~I f _ I 一 景} 7 3 0 1 一 2 5 0 业12 17 0 业12 15 0 业1 4 15 0 图4 试件仍接头剖面图 单位m m F i g .4 C r o s s s e c t i o n a lv i e wo fB 3 u n i t m m 1 .2 试验装置与加载形式 试验在大型制式爆炸试验坑中,试验爆坑尺寸 为长宽深 6m 6mx4m ,增加配重条件下, 最大超压可达0 .9M P a ,起爆采用导爆索网加载。 加载装置示意图如图5 所示,为了避免试件在冲击 荷载作用过程中因底部不稳固而产生不均匀沉降, 将1c m 厚的钢板铺放在坑底。加载前,在顶盖上部 配重约2 0 0 多吨,以防止顶盖弹跳过高而过快泄放 高压气体。按照试验方案要求,试件表面设计空气 冲击波超压分别为0 .0 5M P a 、0 .1M P 和0 .1 5M P a 三种。 1 .3 爆炸试验结果 图6 ~图8 为3 次冲击荷载后试件接头裂缝 图。由上图可知,接头处的裂缝均出现在顶板与底 板的连接根部附近。其中,B 1 试件裂缝位置在连接 缝与根部之间,离接缝距离较远,裂缝最大宽度约为 1 .2m m ,抗爆性能较好。日2 试件裂缝位于接头根 部的接缝处,几乎贯穿全梁,裂缝宽度约为1 .8m m , 且在支座底部有自下向上发展的裂纹,抗爆性能最 差。B 3 试件裂缝也出现在连接根部,宽度仅为 万方数据 爆破2 0 1 4 年3 月 0 .1m i l l ,抗爆性能最佳。 图5 试验装置简图 F i g .5 T e s td e v i c es k e t c h 2 数值模拟与试验对比分析 2 .1 有限元模型建立 为了进一步考察试件的破坏特征,我们通过数 值模拟的方法来研究试件加载过程中的物理量变化 图6B 1 试件接头裂缝 F i g 6B 1m o d e lj o i n t sc r a c k R e b a r C o n c r e t eI n t e r a c 【i O n T i m e 0 规律。 计算模型根据实际情况考虑,具体如下两侧回 填0 .5m 土层,外侧施加水平法向约束。考虑试件 两次浇筑时问不同,在叠合板与浇注混凝土之间设 弱化层,弱化层混凝土强度近似取原来的8 0 %。试 件底部设为刚性墙 这与前面试验描述不同,试验 底部的支撑条件比较软弱 。试件顶部加载曲线取 试验量测记录。按照试验建立3 种有限元模型,其 中日1 ,曰2 混凝土模型除弱化层位置不同,其余基本 一致,如图9 ~图1 4 。钢筋采用弹性理想塑性模型 描述,混凝土单元采用混凝土损伤模型 M A T C O N . C R E T E D A M A G E R E L 3 描述,此模型运用3 个剪 切破坏面,包括破坏和应变率效应,其最显著的改进 是模型参数基于无约束的} 昆凝土抗压强度自动产生 的。由于美国混凝土试件和国内有差异一,8J ,两者 的比值随混凝土强度的提高而加大,一般的范围为 上, 0 .8 ~O .8 9 六。 1 式中Z 。为中国标准混凝土立方体抗压强度值, N m m ~;上,为美国等国际学术组织采用的圆柱抗 压强度值,N m m ~。 计算过程中取Z , 0 .8 5 呃。。 图7 砚试件接头裂缝 F i g .7 B 2m o d e lj o i n t sc r a c k 图9B 1 有限元模型 F i g .9 B If i n i t ee l e m e n tn 3 0 d e 钢筋混凝土中的钢筋用梁单元模拟,在梁单元 钢筋 和混凝土 实体单元 之间设置接触条件来 模拟钢筋和混凝土之问的接触滑移变形关系。 图1 0 、图1 2 、图1 4 分别为试件B 1 、B 2 、B 3 中钢 图8B 3 试件接头裂缝 F i g .8 B 3m o d e lj o i n t sc r a c k 筋单元的编号及位置。每个模型共有5 个钢筋单 元,位置均一致。其中E 1 8 9 0 、E 1 3 6 0 、E 2 4 位于顶板 与底板连接根部边缘上侧的主筋上 下简称1 位 置 ,E 1 5 5 7 、E 1 1 5 2 、E 5 1 0 3 位于连接根部由支座伸 出的中央上侧钢筋中 下简称2 位置 ,E 3 6 3 、E 2 3 9 、 E 5 9 5 8 位于连接根部由支座伸出的中央下侧钢筋中 下简称3 位置 ,E 1 0 2 8 3 、E 8 3 1 8 、E 1 1 3 5 位于支座 伸出钢筋结束处上部中央的主筋 下简称4 位置 , E 4 3 5 、E 2 7 8 、E 6 0 2 9 位于支座下侧中央伸出钢筋的 端头处 下简称5 位置 。 2 .2 材料参数的确定 有限元模拟中材料的物理力学参数,根据制作 工厂检验报告确定,具体见表1 ~表4 。 万方数据 第3 1 卷第1 期周泽鑫,赵跃堂,杨心宇,等叠合板式混凝土墙不同接头形式抗爆性能分析 1 4 1 R e b a r .C o n c r e t eI n t e r a c t i o n T /l \/~ JK 一 、j IR 1 15 1 7 ≯ ‘} 。4 、j 1 乒,q 。≯,“一、kd 。jj, I 琶⋯、囊。’、秀’囊甓 f B ⋯3 6 3 器‘一、“ | 一2 。喾3 昂2 L 图l O 曰1 模型钢筋单元编号及其位置 F i g .1 0 R e b a re l e m e n n u m b e ra n di t sp o s i t i o n R e b a r C o n c r e t eI n t e r a c l i o n T i m e 0 图1 1B 2 有限元模型 F i g .1 1B 2f i n i t ee l e m e n tm o d e l R e b a r C o n c r e t eI n t e r a c t i o n T i m e 0 Z L J 图1 2 砚模型钢筋单元编号及其位置 F i g .1 2 R e b a re l e m e n tn u m b e ra n di t sp o s i t i o n R e b a r C o n c r e t eI n t e r a c t i o n T i m e 0 Z 辽J 图1 3B 3 有限元漠型 F i g .13 /3 3f i n i t ee l e m e n tm o d e l 表1 钢筋参数 T a b l e1R e b a rp a r a m e t e r s R e b a r C o n c r e t eI n t e r a c t i o n T i m e 0 ◆一 j 錾- 霉1 1 3 5 ;;。 蠢王;j 面2 9 o | ~_ 1 一~一- 5 二一 图1 4 仍模型钢筋单元编号及其位置 F i g .1 4 R e b a re l e m e n tn u m b e ra n di t sp o s i t i o n 表2 弱化层参数 T a b l e2 W e a k e n i n gl a y e rp a r a m e t e r s 表3 混凝土参数 T a b l e3C o n c r e t ep a r a m e t e r s 密度/弹性剪切 k g m 。 模量/M P a 1 8 0 01 2 淞比荔 0 .2 50 .6 6 3 2 3 粘聚 力/P a 5 0 0 0 2 .3 模型塑性应变分析 每一个试件加载3 次,第2 次和第3 次加载均 是在前一次加载的基础上进行,所以其初始状态也 是上一炮的最终状态。图1 5 ~图1 7 为3 炮过后产 生的塑性应变图,分别对应物理实验图6 一图8 。 R e b a C o n c r e t eI n t e m e t i o n T m l e 0 15 C o n t o u r so f E 仟e c f i v eP l a s t i cS t r a i n 嚣写裂篙瑚8 3 m a x 2 .a te l e m 5 5 7 7 6 81 Z 垃Ⅳ 图1 5B 1 模型塑性应变 F i g .15 P l a s t i cs t r a i no fB 1m o d e l 万方数据 爆破 2 0 1 4 年3 月 R e b a r - S o n c r e t eI n t e r a c f i o n T i r n e 一0 】5 C o n t o t t r so f E f f e c t i v eP l a s t i cS t r a i n m a x i p .v a l u e m m 【Ja te l e m 6 0 3 m a x 2 。a t e l e m 5 5 7 7 6 2 2 图1 6艘模型塑性应变 F i g .16 P l a s t i c - s t r a i no fB 2m o d e R e b a r - C o n c r e t eI n t e r a c t i o n T i m c 0 .1 5 C o n t o t t r so f E f i e c f i v eP l a s t i c S t r a i n m a x i p tv a l u e m i n - 匈a te l e m I m a x 2 ,a te l e m 7 1 2 8 0 l 进, H17 日3 模型耀性J 五变 F i g .17 P l a s t i cs t i a i no fB 3m o d e l 整体而言,3 种模型的塑性区比较相似。顶板 与底板连接根部有自上而下的贯穿塑性带,支座底 部有向上延伸的塑性区。仔细观察后发现,B 1 塑性 区较大部分位于顶板上部,这是由于3 次冲击荷载 作用后,此处承受很大的负弯距,而左侧配筋明显少 于右侧,使顶板塑性值较大区域发生了由中央处向 左侧移动的现象。这也致使连接根部的横向裂纹缝 有向中央发展的趋势。加之由于两次浇注时间不同 而设置的混凝土弱化层,此处发生了类似“销栓”的 抽拉作用,出现明显的应力集中现象。B 2 模型的塑 性区集中在顶板与底板连接的根部,且因连接缝也 在此处使其成为试件最薄弱的地方,接头处产生横 向裂缝较宽,底板出现贯穿的塑性区也比其余模型 大。对比B 1 ,B 2 模型,在连接根部处B 2 集中了更 大的塑性应变值,破坏较严重,而B 1 在距根部 3 0 0m m 的接缝处至模型中央有很大的塑性应变,整 体而言破坏较大。B 3 的整体塑性区不大,也出现在 接头处和底板上,根部裂缝宽度最小,表现出较佳的 抗爆性和稳定性。 由于计算模型底部设置刚性墙,模型的向下运 动变小,模型破坏较严重。而爆炸实验中坑底的钢 板很薄,在冲击荷载作用下,整体沉降比较大,试件 破坏程度较轻。 2 .4 试件中钢筋轴力的时程曲线分析 如图1 8 、图1 9 所示,日1 ,砚模型钢筋应变时程 曲线比较相似,1 、2 位置产生了较大应变值且曲线 发展趋势基本一致,中央处的2 位置应变值一直略 大于1 位置。在0 .0 2S 左右时,曲线迅速向正向发 展,在分别达到各自峰值后回复。此时钢筋已瞬时 超过屈服极限值,由于冲击荷载的短暂性和瞬时性, 钢筋应变并未无限增大至钢筋拉断,而是随着冲击 荷载的减弱,钢筋应变随之逐渐减小。B 1 模型在 0 .4 5S 左右时出现曲线沿正向反弹,这是由于底部 为刚性墙设置,试件随应力波的反射,有一定回弹。 反观曰2 模型,在此时也出现了回复曲率变小的现 象,之所以没有回弹是因为其配筋较B 1 要大,加之 格构钢筋比较好的控制了试件的稳定性。B 1 试件 侧墙根部出现了一条横向受拉小裂缝,但未沿墙厚 方向贯穿,侧墙与底板接缝处完好,未出现任何裂 缝,说明接头强度满足要求。B 2 试件侧墙根部与底 板接头处横向裂缝很大,接头受拉破坏。4 ,5 位置 的钢筋应变峰值均未达到屈服应变,两试件在钢筋 连接处受应力较小,锚固于底板的受力钢筋未发生 锚固失效而产生滑移分离,强度满足要求。 如图2 0 所示,B 3 模型中钢筋整体应变值很小, 应变时程曲线峰值仅为9 4 0 个微应变。模拟应变时 程曲线分布与前两个模型近似,1 ,2 位置有较大正 向应变且曲线非常相似,4 位置有负向压应变值,其 余位置很小。试件由于不对称外型,冲击荷载下振 动明显,在试件侧墙根部有一条横向小裂缝,宽度仅 为0 .1m m ,强度能得到满足 图1 8 日1 钢筋单元应变时程 F i g .18 B 1r e b a rs t r a i nt i m eh i s t o U 0 0 O 姗 瑚 ㈣ ∞o 一∞ 万方数据 第3 1 卷第1 期 周泽鑫,赵跃堂,杨一b - T ,等叠合板式混凝土墙不同接头形式抗爆性能分析 1 4 3 图1 9 砚钢筋单元应变时程 F i g .19 1 3 2 _ r e b a rs t r a i nt i m eh i s t m 3 3 结论 采用数值分析和有限元模拟的方法对对爆炸荷 载下不同接头形式的叠合板式钢筋混凝土墙抗爆性 能进行了研究,对比3 种不同接头形式下结构的受 力状态、变形性能和最终破坏形态得出以下结论 1 试验研究表明模型B 1 接缝处避开了要承 受较大剪力的构件端部,使其塑性区较分散,未产生 裂缝破坏。模型B 2 顶板与底板连接位置和接缝处 几乎重合,承受较大的剪力,塑性区较集中,裂缝宽 度达1 .8m m ,就局部看设计没有B l 接头样式合理。 模型B 3 顶板与底板连接处仅出现0 .1m m 的微小 横向裂缝,表明这种装配式连接接头在爆炸荷载作 用下安全性最好。 2 通过数值模拟发现,试件B 1 能对底板与顶 板连接部位有较好的保护作用,其塑性变形及破坏 向顶板中央发展,致使接缝处和两板连接位置的塑 性区分散分布。但在很大的冲击荷载下,破坏往往 由于此处配筋较少和两次浇注产生的混凝土刚度不 足而发生,试件整体向此侧倾倒破坏。整体而言, B 1 模型较舵模型破坏更严重,B 2 设计更合理。 3 对比数值模拟和物理实验,鉴于实验坑底 刚性不足,试件沉降较大,试件破坏程度较轻。数值 模拟结合实际工况,底板支撑刚度大,构件破坏比较 严重。 参考文献 R e f e r e n c e s [ 1 ]孑L 新立,金丰年,蒋美蓉.恐怖爆炸袭击方式及其规模 分析[ J ] .爆破,2 0 0 7 ,2 4 3 8 8 - 9 2 . 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