混凝土拱座空心立柱水压爆破数值模拟研究.pdf

第2 7 卷第4 期 2 0 1 0 年1 2 月 爆破 B L A S T I N G V 0 1 ．2 7N o ．4 D e c ．2 0 l O 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 0 ．0 4 ．0 1 8 混凝土拱座空心立柱水压爆破数值模拟研究 杨忠华，杨军，陈大勇 北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室，北京1 0 0 0 8 1 摘要利用非线性动力有限元程序L S ．D Y N A 建立了钢筋混凝土结构水压爆破的数值计算模型，通过流 固耦合算法。对水压爆破的作用机理和作用效果进行了初步的探讨，得出了在钢筋混凝土结构数值模拟中对 水压爆破切口的处理方法。 关键词数值模拟；水压爆破；钢筋混凝土 中图分类号T U 7 4 6 ．5文献标识码A文章编号1 0 0 1 - 4 8 7 X 2 0 1 0 } 0 4 - 0 0 7 0 一0 4 S t u d yo nW a t e rP r e s s u r eB l a s t i n go fR e i n f o r c e dA r c h S e a ta n dH o l l o wP i l l a ri nN u m e r i c a lS i m u l a t i o n Y A N GZ h o n g h u r t ，Y A N GJ u n ，C H E ND a - 弘，皤 S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fE x p l o s i o nS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，B e i j i n gI n s t i t u t e o fT e c h n o l o g y ，B e i j i n g1 0 0 0 8 1 ，C h i n a A b s t r a c t An u m e f i e Mc a l c u l a t i o nm o d e lo fw a t e rp r e s s u r eb l a s t i n go fr e i n f o r c e dc o n c r e t es t r u c t u r e sw a se s t a b - l i s h e db yt h eN o n l i n e a rD y n a m i cA n a l y s i sf i n i t ee l e m e n tp r o g r a mL S D Y N A ．T h em e c h a n i s ma n de f f e c to fw a t e r - p r e s - s u r eb l a s t i n gw e r ep r i m a r i l yd i s c u s s e da n db l a s t i n gc u tp r o c e s s i n gm e t h o di na w a t e r - p r e s s u r eb l a s t i n gs i m u l a t i o nW a s c o n f i r m e dt h r o u s hf l u i d - s t r u c t u r ei n t e r a c t i o na l g o r i t h m s ． K e yw o r d s n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；w a t e r p r e s s u r eb l a s t i n g ；m i n f o m e dc o n c r e t e 0 引言 水压爆破适用于罐体、水池和容器等薄壁型封 闭构筑物拆除。水压爆破时在构筑物中注满水，将 药包置于水中适当位置，利用水的不可压缩特性把 炸药爆炸时产生的压力传递到构筑物上，使构筑物 均匀受力而充分破碎。水压爆破时构筑物受到2 种 形式的载荷作用，一种是水介质传递的炸药爆炸产 生的冲击波作用，另一种就是炸药爆炸后爆轰气体 产生的脉动压力。 大量工程实践表明，水压爆破具有药包个数少、 爆破网路简单、能量利用率高、破碎效果好且安全性 收稿日期2 0 1 0 0 6 2 9 作者简介杨忠华 1 9 8 5 一 。男。工学硕士，从事爆破拆除数值模拟 方向研究，E m a i l y z h 3 6 1 2 6 ．伽。 高等优点。由于水资源的日益珍贵和爆破噪音等因 素，近年来采取水压爆破拆除大型罐体结构很少；但 在建构筑物拆除设计中，利用水压爆破形成钢筋混 凝土空心柱、楼梯间和箱体桥梁结构的爆破切口或 大面积破碎的情况越来越多。拟采用数值模拟的方 法，通过研究钢筋混凝土构件的受力及破坏特征，对 水压爆破产生的切口进行研究。 1 力学模型和计算方法 1 ．1 算法简介 水压爆破数值模拟所涉及的物质有炸药、水、空 气、混凝土和钢筋等材料，水压爆破数值模拟在L S ． D Y N A 程序中采用流圊耦合算法，即通过直接耦合 结构网格 拉格朗日网格 和流体材料网格 欧拉网 格 之间的响应关系，精确求解每一时间步长各物 万方数据 第2 7 卷第4 期杨忠华，杨军，陈大勇混凝土拱座空心立柱水压爆破数值模拟研究 7 1 质的物理状态。求解过程中，多物质材料流动引起 的压力载荷通过耦合算法自动作用到结构的有限元 网格上，在这种压力作用下，结构的有限元网格将发 生变形，结构的变形也反过来影响多物质材料的流 动和压力值。通过这种结构变形和流体载荷间的相 互影响可以得到完全耦合的流体一结构响应。 1 ．2 计算模型 水压爆破模拟采用某大桥拱座空心立柱的一层 爆破段作为研究对象，其所有参数都采用工程实际 中的具体数值，即立柱断面为1 ．4I nx 0 ．8i n ，空腹 腔断面为0 ．8m 0 ．4m ，高为1i n ，立柱充满水，为 了建模方便，将药包看作正方体药包，整体起爆，布 置于0 ．5I l l 处的中心位置，药包边长为0 ．0 3m 。采 用分离式共节点模型建立模型⋯，由于模型具有对 称性，为了节约计算时间，采用1 ／8 模型进行计算， 然后通后处理程序中的映射选项将模型还原成整个 模型，顶部采用无反射边界约束。见图1 。 图1 计算模型示意图 1 ．3 数值计算的材料模型及状态方程 模型由炸药、水、空气、混凝土和钢筋5 种材料 组成，其中炸药、水和空气3 种材料采用欧拉网格建 立模型心圳，单元使用多物质A L E 算法；混凝土和钢 筋采用拉格朗日网格建立模型，钢筋混凝土立柱与 水和空气之间采用耦合算法。空气网格与钢筋混凝 土网格重合，起传递力的作用。由于模型具有对称 性，为了节约计算时间，采用1 ／8 模型进行计算，然 后通后处理程序中的映射选项将模型还原成整个模 型，顶部采用无反射边界约束。 炸药采用牛M A T H I G H E X P L O S I V E B U R N 材 料模型，具体参数见表l 。 表1 炸药材料参数 V a i l a b l eM ／DR O DP C JB E A TKGS f G Y T y p e 11 ．6 30 ．6 9 30 ．2 700 00 炸药爆轰产物采用J W L 状态方程描述 P A 一南 e 呐y B 一别e 刈 t 可o E 1 式中A ，口为常数；R 。、尺为无量纲常数；E 为内能， 1 0 5M P a ；t o 为格林爱森参数，为无量纲参数，表示定 容条件下，压力相对于内能的变化率；V 为爆轰产物 的相对体积，等于爆破产物体积与初始体积之比。 对应关键字为宰E O S _ J W L ，相关参数见表2 。 表2J W L 方程参数 V a r i a b l e E O S I DAB R lR 2O M E GE o ％ T y p e 13 ．7 47 ．3 3 E 一24 ．1 5 0 ．9 50 ．30 ．70 ．5 水材料采用M A T _ N U L L 材料模型，通过G r u n e i s ． e n 状态方程帛E O S _ G R U N E I S E N 描述，如下式 。舻_ 【- - 一孥 p 一争2 】 1 一 s t 。1 p “z 南。，右备】 y o 掣 E 2 式中C 为q 一“，曲线斜率的系数；帕为G l u n e i e n 参 数；o r 为对讹的修正渺 P ／P o 一1 ；相关参数见表3 。 表3 水状态方程参数 V a r i a b l e E O S I DC S I岛墨 G A M A OAE T y p e 2 1 ．1 6 472 ．5 61 ．9 8 6 1 ．2 2 680 ．5 00 空气材料模型采用M A T _ N U L L 材料模型，并通 过线性多项式状态方程木E O S L I N E A R P O L Y N O ． M I A L 描述，如下式 P c o c d * c 2 p 2 c 渺3 c 4 c s ／x c 6 9 2 E 3 式中尸为空气压力；p p 和。一1 ，P o 为初始密度，P 为当前密度；E 为材料的内能；C 0 一c 。为状态方程参 数。相关参数见表4 。 表4 空气状态方程参数 V a r i a b l eE O S I DAB R lR 2O M E GE o ％ T y p e 33 ．7 47 ．3 3 E 一24 ．1 5 0 ．9 50 ．30 ．7 0 ．5 钢筋混凝土采用塑性随动模型 木M A T P L A S T I C K I N E M A T I C ，该模型是一种各向同性、随动硬 化或各向同性和随动硬化混合模型1 5J ，与应变率相 关，可考虑实效。通过在0 仅随动硬化 和l 仅各 向同性硬化 间调整硬化参数卢来选择各向同性或 随动硬化。应变率用C o w p e r - S y m o n d s 模型来考虑， 用与应变率相关的因数表示屈服应力。 ． ． 占一 矿， Il 导1 ’l ％ 胪P 占罗 4 ‘ 、乙， o 式中盯。为初始屈服应力；台为应变率；C 和P 为 C o w p e rS y m o n d s 应变率参数；F 罗为有效塑性应变； E ，为塑性硬化模量。 万方数据 爆破 2 0 1 0 年1 2 月 塑性随动模型可以较好的模拟钢筋和混凝土材 料在较低应变率下的接触碰撞问题，钢筋混凝土参 数见表5 。 表5 模型材料参数及力学参数 项目密度／ 弹性模⋯⋯． 抗拉强抗压强 名称 k g m 。3 量／P a ⋯⋯“ 度／P a度／P a 钢筋 78 5 02 1 0 e 90 ．3 03 1 0 e 6 3 0 0 e 6 混凝土 24 5 03 0 e 9 0 ．1 76 e 63 0 e 6 2 计算结果与分析 2 ．1 爆破模拟结果 取1 ／8 模型，水压爆破数值模拟结果如图2 所 示。从图中可以形象的看出水中冲击波的传播过程 和冲击波作用于混凝土构件壁体的受力过程冲击波 作用于构件后产生的反射压缩波。 图2 爆破模拟结果图 从图2 中可以看出炸药起爆后9 9 恤s 左右冲击 波开始作用于壁体，首先作用于壁体中部，以球形方 式逐渐扩散，作用于整个壁体，冲击波作用于壁体后 产生反射压缩波。 2 ．2 混凝土壁受力分析 混凝土体壁受力如下图3 所示，由内壁压力时 程曲线可见，冲击波首先作用于构件体壁的中心部 位，中部单元3 6 8 4 1 7 受到的爆炸冲击波压力最大达 到1 9 0G P a ，而离药包中心的距离较远的单元 3 3 8 3 3 5 所受爆炸冲击波压力约为1 2 0G P a ，由此可 见，随着离药包距离越远，体壁所受的爆炸冲击波压 力逐渐减小。根据立柱为长方形截面的特点，可知 立柱的四角受到的爆炸冲击波压力最小，而各面中 心受到的爆炸冲击波压力最大。 图3 混凝土内壁单元及其应力时程曲线 2 ．3 钢筋受力分析 图4 为钢筋的轴向应力时程曲线，单元4 1 6 9 4 8 所受轴向应力约为0 ．1 2G P a ，单4 1 6 9 7 5 所受轴向 应力约为0 ．0 4 5G P a 。由此可见，钢筋各点所受的 最大轴向应力随着钢筋离药包中心的距离的增大而 减小，钢筋所受道爆炸冲击波的应力小于它的极限 2 1 1 O co●∞；山o gIJ，乏；％芒～ 万方数据 第2 7 卷第4 期杨忠华，杨军，陈大勇混凝土拱座空心立柱水压爆破数值模拟研究 7 3 抗拉失效应力0 ．3G P a ，所以，由模拟结果可得出在 用，但是并没有破坏失效。 水压爆破中，立柱四角的钢筋受到爆炸冲击波的作 图4 选取钢筋单元及其轴向应力时程曲线 2 ．4 立柱结构破坏结果分析 取钢筋混凝土立柱构件，观察它在爆炸过程中 的变形情况，如图5 所示。构件的每个面的中心部 位首先受到破坏，然后以圆形的形式逐渐扩展，最终 3 结论 混凝土基本上全部受到破坏，钢筋虽然受到冲击波 作用，但由于其与冲击波的接触面积小且具有较强 的抗拉能力，并没有遭到明显的破坏。 图5 钢筋混凝土破坏图 通过数值计算，形象地再现了水中爆炸及水压 爆破后水中冲击波的传播及作用于钢筋混凝土构件 壁体的作用过程，能够很清楚地模拟壁体各部位在 不同时刻的受力以及水压爆破中钢筋混凝土的破坏 情况。在钢筋混凝土结构水压爆破拆除的数值模拟 中，对水压爆破产生的切I I 处理，若采用钢筋混凝土 分离式模型计算时可简化为只删除混凝土单元而不 删除钢筋单元的形式来处理。本文的意义在于通过 数值模拟可以对药量和药包位置等水压爆破参数进 行校核，为爆破参数优化提供科学依据。 参考文献 [ 1 ]杨国梁．多种结构类型建筑物爆破拆除数值模拟研究 [ D ] ．北京北京理工大学，2 0 0 9 ． [ 2 ] 李裕春，时党勇，赵远．A N S Y S l l ．0 ／L S D Y N A 基础 理论与工程实践[ M ] ．北京I 中国水利水电出版社， 2 0 0 8 ． [ 3 ]张亚宾，张云鹏，李占金，等．水压爆破的数值模拟 [ J ] ．河北工业大学学报，2 0 0 7 ，2 9 4 1 4 ． [ 4 ]张广福．爆炸冲击波绕过墙体的数值模拟研究[ J ] ．山 西化工，2 0 0 9 ，2 9 4 2 1 埘． [ 5 ] 尚晓江，苏建宇，王化锋．A N S Y S ／L S - D Y N A 动力分析 方法与工程实例[ M ] ．北京中国水利水电出版社， 2 0 0 8 ． 1 1 O O O O O Ono．邑时厶。凸6I，h畸}|砷|『≈_『坶飞 万方数据