爆炸荷载作用下钢筋混凝土梁动力特性及加固数值模拟研究

爆炸荷载作用下钢筋混凝土梁动力特性及加固数值模拟研究现行建筑物以钢筋混凝土结构为主。

由于施工技术和施工条件的限制以及混凝土材料自身因素的影响,在钢筋较密的部位或预留孔洞和预埋件处,混凝土下料可能被隔住,或振捣不实,严重跑浆,从而在钢筋混凝土梁、板和柱等承重构件中产生松散的微孔洞。

同时,由于建筑结构在使用过程中要进行室内装修等,也需要在梁或者墙体上钻孔以方便管线的布置。

与普通的钢筋混凝土结构相比,孔洞的存在、孔洞的形状和位置会不同程度的影响钢筋混凝土结构部件的受力性能。

现阶段,国内外学者的研究重点仍集中在无缺陷钢筋混凝土的动静力学性能研究,也开展了静载作用下开孔梁受力性能及破坏机理的研究,在理论和实验研究方面取得了一定的研究成果,但是对初始缺陷及后期人工缺陷对于钢筋混凝土的静力学性能的影响问题研究的还不够深入,鲜有学者研究在含有孔洞缺陷的钢筋混凝土梁在动载荷(如爆炸荷载和冲击荷载)作用下的力学特性。

由于爆炸冲击荷载下建筑物的严重破坏,往往给社会民生造成极大的经济损失,同时对人们的生命安全造成极大的威胁。

因此,研究含有微孔洞等缺陷的钢筋混凝土梁在爆炸荷载作用下的动力特性及加固问题具有重要的理论意义和实际工程考价值。

基于此,本文利用非线性动力学分析软件ANSYS/LS-DYNA,以钢筋混凝土梁中闭合球
形孔洞和人工贯穿圆柱形孔洞为例,数值模拟研究了爆炸荷载作用下含有孔洞缺陷的钢筋混凝土梁的动力特性,并对粘贴钢板进行局部加固处理的含人工贯穿圆柱形孔洞的钢筋混凝土梁的抗爆性能的进行了研究。

通过较为系统的研究,主要取得如下成果:(1)爆炸冲击波遇到钢筋混凝土梁后发生明显的反射和透射;冲击波到达梁上表面,冲击波发生正反射,超压峰值明显升高;冲击波传播至梁底面时,在混凝土和空气界面形成拉伸波,导致梁跨中出现拉弯破坏。

(2)在不同药量和相同爆高情况下,钢筋混凝土梁跨中挠度与药量呈现正相关关系;在不同爆高和相同药量情况下,梁跨中挠度峰值与爆高呈现负相关关系;在相同爆高、药量和水平不同爆炸位置情况下,梁跨中挠度峰值随着爆炸位置由跨中向梁端移动逐渐减小。

(3)爆炸荷载作用下,闭合球形微孔洞的存在会导致钢筋混凝土梁更易发生破坏,且通常会在球形孔洞所在截面和爆炸冲击荷载开始作用的位置发生破坏;闭合球形微孔洞的影响具有较强的位置依赖性。

(4)爆炸荷载作用下,贯穿圆柱形孔洞对梁能构成影响有一个临界尺寸。

位置方面,孔洞位于受压区对梁抗爆性能的影响小于孔洞位于受拉区,因此对梁进行钻孔处理要尽量避开梁的跨中位置和受拉区,孔洞位置位于梁受压区位置梁的承载能力改变最小,安全性最高。

(5)通过粘贴钢板对含贯穿圆柱形孔洞钢筋混凝土梁进行局部全包裹加固,提高了梁的整体刚度,增强了含贯穿圆柱形孔洞钢筋混凝土梁的抗爆性能。

此外,通过对比不同加固方式下梁的抗爆性能可知U形加固方式加固效果最好,且加固长度为120cm时,加固效果最好,对梁抗爆性能的提高程度最高。