爆炸荷载作用下混凝土框架结构的倒塌破坏研究

王国慧

（芜湖市建昌工程质量检测中心有限公司，安徽 芜湖 241000）

引言

连续倒塌是指关键结构构件在爆炸、撞击等突发作用下发生破坏并向其他构件扩展，最终导致结构的大范围破坏或者整体倒塌的现象。1995 年俄克拉何马州发生了一起汽车爆炸事故，造成政府大楼底层柱发生破坏，引发上层结构接连失效，最终导致建筑迎爆面发生大面积连续倒塌[1]。2001 年纽约世贸中心双子塔遭到了飞机撞击导致建筑物的大规模倒塌[2]。发生事故时由于意外爆炸或冲击载荷而破坏建筑物的关键部件，引发建筑结构局部甚至整体性倒塌，危害了人们的生命安全。该类型事故对建筑物造成大规模倒塌破坏，由此引起了国内外工程师们的关注。James T.Baylot[3]等通过试验发现当炸药在结构柱附近引爆时，非结构外墙的存在会影响结构柱上的载荷，模拟结果表明虽然外墙很快就失效了，但它仍然影响柱子上的载荷和结构的压力。Hao[4]等将静态凝聚纳入有限元模型的一种新的数值方法中, 通过数值模拟的方式研究了一6 层钢筋混凝土结构在爆炸荷载作用下的破坏情形，进而检验其方法的可行性。Tonatiuh Rodriguez-Nikl[5]等研究发现防止结构连续倒塌的措施包括保护柱等关键元件。进行了九项测试来评估典型柱的竣工性能以及碳纤维护套在提高其性能方面的有效性。测量了载荷-挠度曲线，观察到破坏模式从脆性剪切转变为延性弯曲，并增加了柱的负载和位移能力。何庆锋[6]等对钢筋混凝土柱爆炸时动力结构响应和断裂形态进行数值模拟，研究表明：塑性变形区和弹性变形区分别建模并采用整体模型，保证了数值模拟在钢筋混凝土柱爆破过程中的真实性和适用性。Tonatiuh Rodriguez Nikl[7]等模拟钢筋混凝土构件在炸药试验情况下，其发生断裂的破坏形态。贾明明[8]等考虑产生破坏的不确定因素，其中包括活荷载以及钢筋混凝土的参数等。采用改进的拉丁超立方体抽样方法，根据静态和动态收缩柱的工作条件，对钢筋混凝土填充墙体结构进行了脆弱性分析。王少杰[9]等分别研究了钢筋混凝土框架结构在拆除中心柱、侧柱、侧柱和内柱条件下的连续倒塌静力强度。

从上述文献中，大致总结出来在目前倒塌领域研究分析的两种方法。一种是交替传力路径法，又称拆除构件法，即从去除结构的重要构件开始，然后对可产生连续倒塌进行模拟分析。虽然拆卸方法的特点是分析过程简单，它只考虑关键部件的移除，而不考虑其失效的原因，并存在一些缺陷;另一种方法是直接模拟法，或者称之为直接动力法，它考虑了结构连续倒塌的原因。直接模拟法模拟了爆炸爆轰使构件之间产生相互作用，进而导致建筑物发生破坏甚至出现连续倒塌现象。通过放置爆炸点，将其在实际生活中可能发生的爆炸事故情景再现。因此，相对而言直接动力法在模拟爆炸、冲击或地震引起的建筑结构连续倒塌时更加准确可靠。

本研究采用直接模拟法对爆炸荷载下的3 层框架结构进行数值分析，基于ANSYS/LS-DYNA 有限元软件，根据结构的实际情况建立了该建筑的实体模型。我们将模拟爆炸的传播过程，分析结构在不同爆炸当量下的破坏方式和连续倒塌机理，并探究导致结构连续倒塌的爆炸载荷范围。

1 模型建立

1.1 结构模型

该结构总高9.0 m，x、y 方向各两跨，跨度为4.0 m。梁、板、柱构件均采用钢筋混凝土材料，其中混凝土强度等级为C30，柱上有4 根纵向钢筋，梁上有4 根纵向钢筋。楼板厚为100 mm。选取梁板柱构件的钢筋参数，见表1。柱的截面为0.3 m ×0.3 m，梁的截面为0.2 m ×0.3 m，楼板截面为4 m×4 m。混凝土、钢筋材料各参数，见表2。

表1 梁板柱构件钢筋参数

表2 混凝土和钢筋材料参数

利用大型有限元通用软件ANSYS/LS-DYNA 建立结构的计算模型，对钢筋混凝土梁、柱、楼板和钢筋逐一建模，使得计算模型更为准确。在结构的三维有限元模型中，分别将混凝土和钢筋设置为Solid 164 实体单元和Beam 161 梁单元并进行模拟。地面采用Shell 163 壳单元，视其为没有弹性的刚性体构件。y轴第一跨度的柱、梁、楼板和地板构件的尺寸为50 mm, y 轴第二跨度的楼板构件的尺寸为100 mm。通过软件建立了结构的有限元计算模型，见图1。

图1 有限元计算模型

1.2 材料模型

用MAT_CONCRETE_DAMAGE 模拟分离建模区域的混凝土， 混凝土材料的失效应变用MAT_ADD_EROSION 进行模拟。 地面使用MAT_RIGID 模型模拟。钢筋采用 MAT_PLASTIC_KINEMATIC 弹塑性材料模型进行数值模拟。采用CONTACT_AU_TOMAATIC_SINGLE_SURFACE 接触分析模型模拟钢筋混凝土构件与刚性地面的相互作用。

1.3 施加爆炸荷载

在ANSYS/LS-DYNA 中，爆炸加载应用程序提供内 置 关 键 字 *LOAD_BLAST_ENHANCED 和*LOAD_BLAST_SEGMENT。两者的结合允许根据TNT当量和与目标的距离自动将TNT 转换为单位表面的动态载荷，然后模拟爆炸的影响。在施加爆炸荷载的时候，只考虑爆炸荷载对结构关键构件造成破坏，连续倒塌也是在关键构件破坏的基础上衍生的现象。

施加爆炸荷载之前，首先在80 ms 内将自重和活荷载逐渐施加在结构构件上，通过这种方式使结构处于稳定平衡状态。在t=80 ms 的瞬间对结构施加爆炸载荷，控制运算时程为1 000 mm,探究结构整个连续坍塌的过程。假定炸药位于中柱Z2 y 轴负向3 m，离地面高度2 m 位置处。炸药用量分别为150 kg、200 kg 和250 kg。

2 结构连续倒塌分析

2.1 数值模拟图像分析

对于150 kg 的TNT，框架没有发生明显的损坏。在150 kg TNT 爆炸作用下，框架梁和柱的应力一般处于弹性极限，接着进入塑性状态。底层框架柱Z2 发生较大的塑性变形，结构柱在爆炸后仍然能抵抗上层建筑的垂直力，见图2。

图2 150 kg TNT 爆炸发生1000 ms 后结构有效塑性应变分布云图

对于200 kg 的TNT，框架产生局部破坏。研究发现该结构主要是一层框架的梁产生破坏，但框架结构并没有发生坍塌。中间的纵梁受到扭转作用，导致它所附着的梁出现下垂，并且在框架的下部可以观察到局部拉伸断裂现象，见图3。

图3 200 kg TNT 爆炸发生1 000 ms 后结构有效塑性应变分布云图

对于250 kg 的TNT，可以发现框架结构在之前发生局部破坏的基础上柱子连接处发生断裂，混凝土楼板与柱连接端发生剥离，结构出现局部倒塌现象，见图4。

图4 250kg TNT 爆炸发生1000 ms 后结构有效塑性应变分布云图

上述分析结果表明: 整体框架结构具有良好的防爆性能，能承受200 kg 及以下TNT 当量的外部爆炸攻击。然而，当超过200 kg TNT 的爆炸时，结构发生局部破坏，甚至产生连续倒塌的现象。

当爆炸量为250 kg 时，爆炸发生后在典型代表时刻（120 ms、400 ms、700 ms 和1 000 ms）相关结构的倒塌情况云图，见图5。在图中可以观察到关键柱子及相邻构筑物的破坏和崩塌过程。一是上层柱子的底部和屋顶在爆炸荷载的作用下发生剪切破坏; 在重力作用下上层建筑会向下移动，各层楼板在爆炸的荷载和重力作用下会脱落。随后，连接各层支柱的横梁在轴向压力下造成严重破坏。最后，由于柱子失去承载力，上层建筑倒塌，其周围的一些梁和板也随之破坏，导致柱子的混凝土断裂，钢筋弯曲，结构发生局部连续倒塌现象。

图5 250 kg TNT 爆炸作用下钢筋混凝土结构不同时刻连续倒塌示意图

2.2 首层柱顶数值分析

在整个爆炸模拟过程中，由于柱所受的爆炸载荷总是与其内力的变化相同，因此柱的位移和速度也是同步的。从图中可以看出，结构在80 ms 时间内处于稳定平衡状态，当爆炸当量在150 kg 时，其关键柱Z2的首层柱顶处y 向水平速度以及y 向水平位移在0 附近上下出现微小浮动，因为此时该柱遭受爆炸影响较小。当爆炸当量在200 kg 时，发现关键柱Z2 的首层柱顶处y 向水平速度与位移在700 ms 范围内并没有发生明显变化，在700 ms～1 000 ms 之间，速度与位移稍幅上涨。当爆炸当量在250 kg 时，发现关键柱Z2的首层柱顶处y 向水平速度与位移在500 ms 范围内并没有产生明显变化，在500 ms～1 000 ms 之间，速度与位移指数式急剧上升，速度和位移峰值分别为1.5 mm·ms-1和360 mm，可以初步判断该爆炸药量已导致结构产生明显破坏甚至倒塌。通过数据分析处理得到Z2 首层柱顶水平y 向位移与速度的时程曲线，见图6。

图6 首层柱顶的y 向水平速度与位移时程曲线

结构首先经历80 ms 的静力平衡状态，在80 ms开始爆炸发生后即开始发生竖向位移。在三种爆炸当量情况下，爆炸发生的30 ms 内，关键柱Z2 首层柱顶速度急速加剧，达到各自的速度峰值，然后迅速回落。由图可知，当TNT 取值为150 kg 时，虽说结构在爆炸瞬间速度达到0.8 mm/ms-1，之后速度急速回落，250 ms 时刻稍有波动，在之后的时程当中速度相对稳定一直保持在0 附近小范围浮动，其竖向位移也只产生小变化，该柱遭受爆炸较小，没有发生明显的破坏，足以支撑上部结构，在整个爆炸时程中，结构依然保持稳定，处于安全状态。当TNT 取值为200 kg 时，爆炸发生的30 ms 内，关键柱Z2 首层柱顶速度急速加剧，达到峰值速度1.4 mm/ms-1，随即速度急速回落，在300 ms 时刻，又出现了速度上升的阶段，一直达到2.2 mm/ms-1，此时Z2 柱端与柱脚混凝土产生局部压溃，由此引发上层结构在重力荷载的作用下产生竖向位移，但是并不影响结构的安全性能，依然能够继续为上层构件提供一定的支撑力。当TNT 取值为250 kg 时，爆炸发生的30 ms 内，关键柱Z2 首层柱顶速度急速加剧，达到峰值速度1.7 mm/ms-1，随即速度急速回落，在300 ms 时刻，又出现了速度上升的阶段，一直达到3.3 mm/ms-1，其竖向位移一直呈指数式形式增加，整个模拟过程中达到位移峰值1 600 mm，其底部的混凝土发生破坏，上部结构发生连续倒塌。通过数据分析处理得Z2 柱首层柱顶竖向速度和竖向位移时程曲线，见图7。

通过比较图6 与图7 中不同TNT 当量对应的速度与位移时程曲线，可知在爆炸当量控制为200 kg时，爆炸荷载开始时首层柱顶产生的y 向与竖向位移较小，结构并没有外部爆炸荷载作用产生连续倒塌现象。通过进一步增加TNT 当量为250 kg 时，解读数据发现在接近1 000 mm 时刻首层柱顶y 向和竖向速度一直处于攀升状态，并且没有减缓的迹象，同步产生的位移也不断增加。由此可知此时底层中柱已产生大规模破坏，带动整体结构发生连续倒塌的现象。

图7 首层柱顶的竖向速度与位移时程曲线

3 结论

本研究采用直接模拟法对爆炸荷载作用下某3层混凝土框架结构进行了数值模拟分析，探讨了不同爆炸当量下结构的状态，得到如下结论。

（1） 采用直接动力法分析了爆炸荷载作用下建筑结构发生连续倒塌情况，使用ANSYS/LS-DYNA 对结构进行爆炸仿真模拟，不仅保证了其计算精度，并且大幅度提高计算效率，在建模与后期数据处理环节起到了至关重要的作用。

（2） 在模拟爆炸情况下，通过改变TNT 炸药量可以产生不一样的预期效果，在发生200 kg TNT 当量及以下规模的爆炸时，关键柱没有发生破坏，主体结构仍然能够保证其在可控范围内的安全性；在发生200 kg TNT 当量以上规模爆炸时，关键柱产生破坏，随之周围梁柱楼板构件在爆破荷载作用发生塌落局部破坏，最后发生连续倒塌现象。