爆炸荷载作用下钢筋混凝土结构的动态响应与破坏模式的数值分析

在爆炸荷载(尤其是脉冲荷载)作用下,除了常见的弯曲破坏形态之外,钢筋混凝土结构还可能发生直剪破坏和弯剪破坏。如何准确地预测爆炸荷载作用下的钢筋混凝土结构动态响应和破坏特征是当前抗爆结构领域十分关注的课题之一。该文介绍作者近年来在这方面的一些研究成果,主要有:将三参数形式的应变速率型材料模型推广应用于二维状态下的混凝土本构关系,建立了弹粘塑性混凝土结构有限元分析方法;基于Timoshenko梁理论和弹粘塑性理论,分别采用有限差分法和有限元法,建立了土中浅埋钢筋混凝土结构动力响应和破坏模式的有限差分和有限元分析方法。对爆炸荷载作用下的典型钢筋混凝土结构计算结果表明:基于Timoshenko梁理论的有限差分分析方法和有限元分析方法能较好地模拟梁的动态响应和弯曲、弯剪以及直剪的破坏模式,而二维弹粘塑性混凝土结构有限元分析方法只能较好地模拟梁的弯曲破坏模式。     

爆炸荷载下钢筋混凝土柱动态响应分析的宏观模型

目前常用于爆炸荷载下钢筋混凝土柱动态响应分析的精细化模型,建模复杂、计算效率低,难以在大规模计算中应用。该文研究了纤维模型在模拟爆炸荷载下钢筋混凝土柱动态响应和破坏的缺陷,针对该缺陷在纤维模型的基础上引入弹簧单元,建立了爆炸荷载下钢筋混凝土柱动态响应分析的宏观模型,并给出了模型参数的确定方法。最后以某典型钢筋混凝土柱为例,分别通过精细化模型和宏观模型对其在不同爆炸工况下的动态响应和破坏进行对比分析,结果表明,提出的宏观模型在计算效率高的同时,能够明显弥补纤维模型的缺陷,达到和精细化模型相近的分析结果。     

钢筋混凝土框架结构破坏性能的离散单元法模拟

离散单元法是模拟结构破坏的一种有效的分析方法。通过引入节点单元和考虑混凝土的非线性对矩形离散单元模型进行了改进,并给出了改进后离散单元模型的破坏准则和基本方程以及弹簧系数等计算参数的确定;改进后的模型采用了双链表技术,提高了模型的计算效率。对在爆炸荷载作用下的钢筋混凝土框架结构的倒塌破坏过程进行了模拟,结果表明:采用改进后的离散单元法可以有效地模拟钢筋混凝土框架结构的倒塌破坏过程。     

内部爆炸荷载作用下钢筋混凝土板的动力响应研究

对于合理预测内部爆炸荷载作用下复杂结构的动力响应,通常需要用合适的计算方法进行直接的数值模拟。采用了考虑应变率影响的钢筋和混凝土材料的动力本构损伤模型,介绍了用爆炸流体动力学软件预测在封闭空间内发生爆炸情况下结构响应的数值模拟方法。对箱型封闭空间内0．5kg TNT爆炸荷载作用下钢筋混凝土顶板的响应进行了数值模拟研究,展示了钢筋混凝土板从混凝土开裂、钢筋断裂到板整体抛射的动态演变过程,并与试验结果进行了对比分析,内部爆炸荷载压力时程曲线、混凝土的损伤破坏和板的抛射速度与试验结果吻合较好。从中可以发现钢筋对混凝土开裂起主要抑制作用,板的开裂和碎片形成主要受脉冲压力荷载的影响,而板的抛射速度主要受气体压力荷载的控制。     

爆炸荷载下六层框架结构建筑爆破拆除数值模拟

为了进一步提高数值模拟技术在建筑物爆破拆除应用上的准确性,采用分离式共节点钢筋混凝土模型,在切口部位保留混凝土单元改为施加爆炸荷载,对六层框架结构建筑在爆炸荷载下的爆破拆除过程进行了数值模拟。模拟结果表明:对混凝土和钢筋单元的受力过程进行分析,分离式共节点模型可以体现混凝土和钢筋材料的力学性能差异;切口部位保留混凝土单元改为施加爆炸荷载,结构在起爆瞬间会有一个向上的冲击力,同时结构触地振动更接近于工程实际,因此对切口部位爆炸荷载的施加在结构爆破拆除数值模拟中的影响有必要进行研究。研究表明在结构爆破拆除数值模拟中施加爆炸荷载,能更真实的模拟建筑物爆破拆除倒塌过程,更好的辅助指导框架结构爆破拆除设计。     

爆炸荷载作用下钢筋混凝土梁破坏形态有限元分析

在持续时间较长的爆炸荷载作用下,钢筋混凝土框架或梁通常会发生常见的弯曲破坏形态,但是在持续时间较短的爆炸荷载,如化学爆炸产生的脉冲荷载作用下,钢筋混凝土结构有可能在弯曲破坏发生之前产生剪切破坏。这种现象已被室内外试验所证实,其原因是脉冲荷载激发了结构中的剪力,从而使结构产生剪切破坏。为了预报钢筋单纯凝土梁在爆炸荷载下的响应破坏形态,本文提出了一种基于Ｔｉｍｏｓｈｅｎｋｏ梁理论的非线性分层梁有限元法。在材料模型中考虑了混凝土和钢盘的右面线性和应变速率效应等因素。应用这方法,本文计算分析了爆炸荷载作用下钢筋混凝土梁的动态响应以及弯曲、弯剪和剪切等不同的破坏形态,计算预报的结构动态响应和破坏形态与现场试验结果有较好的一致性。     

基于纤维模型的钢筋混凝土框架结构爆破倒塌破坏模拟

结构在爆炸荷载下的倒塌破坏模拟日益受到关注.采用基于MSC.MARC有限元软件开发的钢筋混凝土纤维模型程序THUFIBER,对一钢筋混凝土框架结构在爆炸荷载下的倒塌破坏进行了模拟,并根据国家规范特点考虑了框架的正截面和斜截面破坏.计算结果表明,THUFIBER程序可以较好地模拟钢筋混凝土框架结构的倒塌破坏,并对一些关键模型参数进行了讨论.     

水下接触爆炸下钢筋混凝土板毁伤模式探究

为了探究水下接触爆炸下钢筋混凝土板的毁伤破坏模式以及内部配筋的形变特性,利用AUTODYN软件建立了钢筋混凝土板水下接触爆炸全耦合精细模型,并通过水下接触爆炸现场试验,分析了水下接触爆炸荷载冲击下钢筋混凝土板的动态破坏全过程,探究了混凝土板内压力时程变化过程。结果表明：所建仿真耦合模型能够较好地描述水下接触爆炸下的爆炸冲击波传播以及钢筋混凝土板毁伤破坏过程;水下接触爆炸荷载作用下,钢筋混凝土板出现严重的冲切损伤,爆心区域板完全破碎、脱落,混凝土板整体变形较大,且内部配筋出现了较大的形变。     

爆炸荷载下钢管混凝土构件动态响应的数值模拟与试验验证

通过数值模拟和试验两种方法对爆炸荷载下钢管混凝土构件(CFST)的动态响应进行研究.首先基于LS-DYNA非线性有限元分析软件,采用多物质流固耦合方法,建立爆炸荷载下CFST数值模型;其次,设计三根钢管混凝土试件的爆炸罐内近距爆炸试验,并基于试验结果对数值模型的有效性及合理性进行了验证;最后总结爆炸荷载作用下CFST的破坏规律,并通过参数化分析方法,研究核心混凝土强度与钢管厚度对CFST抗爆性能的影响.结果表明:数值模拟方法能够有效合理地反应CFST在爆炸荷载作用下的动态响应,对比爆坑深度和测点加速度的模拟结果与试验结果,误差均在10％以内;近距离爆炸荷载下,CFST结构的破坏形式可分为4个阶段:迎爆面破坏、跨中弯曲变形、端部受拉、振动阶段;提高核心混凝土强度和增大钢管厚度都能改善CFST的抗爆性能,核心混凝土等级为C50、C70、C80的构件背爆面中心位置位移最大值相比于C30等级分别减小了2.3％、4.3％、5.3％,钢管厚度为4 mm、5 mm、6 mm的构件相比于3 mm钢管背爆面中心位置位移最大值分别减小了17.0％、28.6％、37.4％,钢管厚度对结构抗爆性能的改善效果更为明显.     

聚丙烯纤维混凝土接触爆炸破坏效应的试验和数值分析

为研究聚丙烯纤维混凝土在接触爆炸条件下的破坏形态,进行有限厚度钢筋混凝土板和聚丙烯纤维混凝土板的接触爆炸试验.采用LS-DYNA中LOAD-BLAST方法,对聚丙烯纤维混凝土的动态破坏过程进行数值模拟,分析和对比聚丙烯纤维混凝土和钢筋混凝土接触爆炸条件下破坏效应的异同,确定出聚丙烯纤维混凝土的抗爆性能系数.研究表明,LOAD-BLAST方法简单高效,数值模拟和现场试验非常吻合,聚丙烯纤维混凝土抗接触爆炸性能良好.     

钢筋混凝土梁桥船舶撞击连续倒塌数值模拟

详细介绍了钢筋混凝土桥梁船撞倒塌模拟涉及的材料模型和单元失效指标等问题,建立某连续梁上部、下部结构、支座和船舶结构精细有限元模型,将弹塑性损伤帽盖模型用于混凝土,弹塑性随动强化模型用于钢筋,对船舶撞击钢筋混凝土连续梁引起的结构连续倒塌过程进行了数值模拟,揭示了连续梁桥结构的船撞倒塌机理。     

钢骨超高强混凝土框架节点恢复力模型

为了研究钢骨超高强混凝土框架节点的恢复力特性,设计制作了12个试件,进行了低周反复加载试验。观察、记录了试件的受力过程和破坏形态,基于受力过程中试件表现出的典型特征,提出了三折线骨架曲线模型和恢复力模型,并与试验结果进行了对比分析。研究结果表明,试件从受力至破坏的过程可归纳为开裂、通裂、失效3个阶段;在通裂和失效阶段,试件加载、卸载刚度退化明显,出现明显的卸载残余变形;所建议的三折线骨架曲线模型与骨架曲线试验结果吻合较好,直接反映出了试件的受力破坏过程。由建议的三折线恢复力模型计算得到的滞回曲线与试验得到的滞回曲线变化趋势大致相同,吻合程度较高,很好地描述出了钢骨超高强混凝土框架节点的滞回性能。所建议的恢复力模型可供钢骨超高强混凝土框架结构非线性地震反应分析应用。     

CFRP加固钢筋混凝土T梁抗爆动力响应数值模拟

为了研究CFRP加固钢筋混凝土T梁的抗爆性能,采用ANSYS/LS-DYNA有限元软件,建立了钢筋混凝土T梁—CFRP材料—空气域—TNT炸药的全耦合模型,进行爆炸荷载下钢筋混凝土T梁的数值模拟,对钢筋混凝土T梁的动态力学性能进行了分析,分别研究了CFRP外贴形式、CFRP厚度对钢筋混凝土T梁的影响.结果表明:相比普通...     

基于材料损伤的钢筋混凝土构件损伤模型

基于地震作用下钢筋混凝土结构的损伤机理, 以钢材和混凝土材料损伤模型为基础, 推导出损伤状态下钢筋混凝土构件刚度和材料自由能退化表达式, 提出一种以刚度退化和自由能退化线性组合的钢筋混凝土构件损伤模型. 对钢筋混凝土柱的拟静力试验进行模拟分析, 结果表明该模型可以较好的描述钢筋混凝土柱的损伤演化过程, 且能够定量确定其在单向荷载作用下与之正交方向的损伤程度;对钢筋混凝土桥墩的振动台试验数据和钢筋混凝土刚构桥的数值算例进行了模拟分析, 结果表明基于材料损伤的钢筋混凝土构件损伤模型可以描述钢筋混凝土桥墩抗震能力的退化过程以及预测结构的失效模式, 可用于地震作用下桥梁结构的损伤分析.     

钢筋混凝土桥梁疲劳累积损伤失效过程简化分析方法

为了有效预测疲劳损伤累积程度与桥梁剩余寿命,提出了钢筋混凝土桥梁结构在运营荷载下疲劳失效全过程数值模拟的简化方法。首先,根据混凝土及钢筋疲劳刚度退化、疲劳强度退化与疲劳残余变形演变规律,建立了混凝土及钢筋经历任意次数疲劳加载后的剩余强度包络线方程,基于混凝土单轴本构模型和钢筋理想弹塑性模型,建立了混凝土及钢筋疲劳本构模型;然后,在此基础上对文献提出的疲劳全过程分析法进行了改进,提出了疲劳损伤累积失效全过程数值分析法;最后,基于ABAQUS 软件平台和该文方法,对某钢筋混凝土简支梁算例进行疲劳全过程数值分析。结果表明:利用该文方法得到的模拟值与试验值的相对误差处于合理范围之内,验证了该文方法的可靠性和实用性。     

A refined diffuse cohesive approach for the failure analysis in quasibrittle materials—part II: Application to plain and reinforced concrete structures

This work presents the numerical application of the diffuse cohesive interface model introduced in the Part I paper to the failure analysis of plain and reinforced concrete structures, subjected to complex loading conditions, inducing mixed‐mode fracture initiation and propagation. With the aim of capturing the interaction between concrete and steel reinforcements, the adopted fracture model is incorporated in a novel, more general numerical framework for the nonlinear analysis of reinforced concrete structures. Such a framework includes a newly proposed embedded truss model for the reinforcing bars, allowing them to be crossed by the neighboring propagating cracks. Comparisons with available experimental results are provided, assessing the reliability and the numerical accuracy of the proposed concrete model, with reference to plain specimens subjected to single‐crack propagation as well as to reinforced elements subjected to multiple cracking.     

混凝土材料与结构破坏过程模拟分析

采用离散单元法对混凝土材料和混凝土结构破坏机理进行分析。在细观尺度上将混凝土材料视为由粗骨料、水泥砂浆及界面过渡区三相组成,建立了混凝土材料的离散元模型;在宏观尺度上将混凝土视为均质材料建立了混凝土结构离散单元模型。计算分析结果表明:细观尺度上的二维离散单元模型可以用来很好地模拟混凝土材料的单轴受力破坏过程,但不能很好地模拟复合受力状态下的混凝土材料的破坏;宏观尺度上的离散单元模型可以很好地模拟钢筋混凝土构件的破坏过程,但模拟结果对单元的形状有较大的依赖性;宏观尺度上的离散单元模型可以很好地模拟结构的倒塌过程,但计算效率有待提高。     

基于两相随机介质的混凝土破坏全过程模拟

通过两相随机介质对混凝土细观结构进行建模,给出了混凝土破坏全过程模拟。首先,为了反映混凝土水泥砂浆和骨料的随机分布,引入新近发展的两相介质随机场对混凝土进行建模。采用随机点集生成随机有限元与内聚单元,以考虑裂纹分布的随机性,形成混凝土材料破坏分析的数值模型。数值模拟给出了混凝土单轴受拉裂纹开展全过程。数值模拟结果表明:当骨料断裂能明显大于水泥砂浆断裂能时,采用两相随机介质,能够较好地描述在受拉状态下,混凝土裂纹主要产生于水泥砂浆及骨料以及水泥砂浆的界面处,较少骨料破坏,这一典型特征。最后,通过模拟所得的均匀化应力-应变关系与混凝土单轴受拉试验结果对比,进一步验证了该文所给出的两相随机介质模拟的正确性。     

Experimental study and numerical simulation of the damage mode of a square reinforced concrete slab under close-in explosion

Terrorist attacks using improvised explosive devices on reinforced concrete buildings generate a rapid release of energy in the form of shock waves. Therefore, analyzing the damage mode and damage mechanism of structures for different blast loadings is important. The current study investigates the behavior of one-way square reinforced concrete (RC) slabs subjected to a blast load through experiments and numerical simulations. The experiments are conducted using four 1000 mm × 1000 mm × 40 mm slabs under close-in blast loading. The blast loads are generated by the detonations of 0.2–0.55 kg trinitrotoluene explosive located at a 0.4 m standoff above the slabs. Different damage levels and modes are observed. Numerical simulation studies of the concrete damage under various blast loadings are also conducted. A three-dimensional solid model, including explosive, air, and RC slab with separated concrete and reinforcing bars, is created to simulate the experiments. The sophisticated concrete and reinforcing bar material models, considering the strain rate effects and the appropriate coupling at the air–solid interface, are applied to simulate the dynamic response of RC slab. The erosion technique is adopted to simulate the damage process. Comparison of the numerical results with experimental data shows a favorable agreement. Based on the experimental and numerical results, the damage criteria are established for different levels of damage. With the increase of the explosive charge, the failure mode of RC slab is shown to gradually change from overall flexure to localized punching failure.     

Nonlinear static cyclic pushover analysis for flexural failure of reinforced concrete bridge columns with combined damage mechanisms

In a fixed connection of a reinforced concrete bridge column, experiments have shown that the longitudinal reinforcing bars slip at the interface of the connection under cyclic seismic loading. The bond-slip (or strain penetration) of the longitudinal reinforcing bars causes a pinching effect in the column’s hysteresis curve. The bond-slip (or strain penetration) reduces the column’s stiffness and increases its deformations during an earthquake event, significantly affecting the performance of the column. Significant strength degradation has also been observed after the column reaches its ultimate strength. This study is to model a reinforced concrete column’s performance under cyclic pushover analysis with combined damage mechanisms including concrete cracking, concrete strength degradation due to concrete spalling, longitudinal reinforcing bars buckling, and bond-slip between longitudinal reinforcing bars and concrete. Two multi-scale nonlinear finite element models with and without the bond-slip (or strain penetration) of a reinforced concrete bridge column are proposed. The simulated column’s hysteresis curves under nonlinear cyclic pushover are compared with available experimental data. The results show that the proposed models with bond-slip together with combined damage mechanisms can effectively predict the seismically induced flexural failure behavior of the reinforced concrete bridge columns.