钢筋混凝土填充墙抗爆分析

黄国良

1 概述

石化装置具有易燃易爆的特性，对于处于爆炸危险区域内的建筑物，需要采取相应的抗爆结构，保证爆炸危险发生时的人员和设备能安全撤离或操作，不被暴露在人员无法承受的危险环境下。爆炸冲击波作用随时间变化很快，结构的变形也很快变化，对于这类动态冲击问题的设计往往比较困难。

近年来国内外学者对钢筋混凝土构件在爆炸荷载作用下的动力行为开展了一系列的研究。对单向板、柱、钢管混凝土柱等构件的抗爆性能，均有相应的研究成果发表。过去在石化控制室抗爆设计中较多的采用墙体与主框架脱离的策略，墙体主要表现为单向板受力体系。随着涉外工程的增多，钢筋混凝土框架与抗爆填充墙的组合结构在工程实践中日益增多，目前对于这类结构的研究资料相对较少。文献［3］将墙近似假定为四边固结的双向板来分析，通过双向板有限元分析探讨影响墙体抗爆性能的相关因素。由于框架结构中柱的侧向约束刚度通常情况下相对较弱，该简化假定过高估计了框架柱的刚度，因此最终的墙体变形会受到较大的影响。本文考虑框架柱以及屋盖体系的真实刚度，借助有限元软件对局部结构进行整体动力弹塑性分析，并与简化计算做对比，提出了设计建议。

2 有限元模型建立

1)模型简介。某抗爆墙体高度5.5 m，柱距6 m，框架柱450 mm×450 mm，填充墙厚度200 mm，墙体双面配筋。混凝土采用正六面体单元进行模拟，主筋和箍筋均按桁架单元模拟。为了准确模拟填充墙、框架柱的边界条件，有限元模型包括了半跨屋面结构。墙体与框架柱的根部设置过渡单元，避免应力集中。屋面跨中位置设置侧向约束，模拟屋面板的无限刚性，并能施加屋面爆炸荷载。墙体侧边按对称性设置侧向约束，框架柱与墙的整体模型见图1。数值模拟中，用理想化的三角形荷载来模拟爆炸荷载，均匀分布在面向爆炸荷载的墙体上。取墙体爆炸冲击波峰值反射压力有效作用时间td=0.02 s。

2)材料模型。混凝土和钢筋材料数据采用混凝土规范［2］相关标准值;混凝土在单轴受压时的应力—应变关系按文献［2］附录C.2.1相关公式计算。混凝土材料是明显的率相关材料，极限强度随应变率的增加而增加。本文通过引入欧洲规范CEB-FIP Model Code 1990［5］相关公式，采用动力增大系数考虑应变率影响。计算表明在上述爆炸冲击荷载作用下，混凝土的应变速率约在10-1～10-2数量级。研究表明应变率变化对钢材的极限强度和弹性模量影响较小，因此本文中暂未考虑钢筋的应变率效应，屈服后强化刚度为初始刚度的1%。

3 有限元计算结果

填充墙跨中区域各点在0.04 s以内的侧向位移时程曲线如图2所示。计算表明墙体峰值动力响应发生在0.032 s明显较荷载作用有一个滞后过程。框架柱的最大侧向位移发生在0.036 s，较墙体峰值时间也有一个滞后。变形的滞后是由于荷载作用是瞬时完成的，结构随着惯性运动直到最大位移。柱刚度相对大于墙体，变形的滞后效应也更加明显。

图3～图5分别显示了在0.032 s时墙体内外侧钢筋以及框架柱主筋应力分布情况。钢筋应力图表明达到峰值变形时，受力主筋已经屈服进入强化阶段。从钢筋应力分布情况可以发现竖向跨中正弯矩以及根部负弯矩的钢筋屈服范围分布广泛，而墙与柱交界部位水平方向负弯矩钢筋屈服范围几乎没有。

对墙体按两端刚接的单向板［4］和四边嵌固的双向板［6］分别进行了近似计算，简化计算以及有限元的结果见表1。结果表明采用单向板假定的结果与有限元基本吻合，而双向板假定的近似计算误差较大。该结论与上述钢筋屈服范围的结论相一致，都表明墙体的受力更接近于单向板体系。造成单向传力的主要原因在于常规框架柱截面仅450 mm×450 mm，与长度达6 m的200厚混凝土墙体刚度相比依然偏弱，对整体抗爆性能的贡献有限。

表1 近似计算结果

4 结语

本文利用数值模拟分析了爆炸冲击荷载作用下钢筋混凝土框架填充墙整体响应和变形特点。钢筋屈服情况表明，塑性铰主要发生在墙和柱的竖直向跨中区域，墙体在水平方向几乎没有形成有效的屈服塑性铰区。按单向板简化计算的结果与数值分析较为吻合，也验证了数值模拟模型的正确性。结果表明，钢筋混凝土框架填充墙变形特性接近于单向板受力体系。

［1］江见鲸.混凝土结构有限元分析［M］.北京:清华大学出版社，2005.

［2］GB 50010-2002，混凝土结构设计规范［S］.

［3］张凤华.爆炸冲击荷载作用下钢筋混凝土墙的动力响应分析［D］.西安:长安大学，2007.

［4］American society of civil engineers.Design of blast resistant buildings in petrochemical facilities［Z］.ASCE，1997.

［5］Comité Euro-International du Béton.CEB-FIP Model Code 1990［S］.

［6］约翰·M比格斯.结构动力学［M］.姚玲森，译.北京:人民交通出版社，1982.