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抗爆炸结构混凝土和钢筋的连接
摘要：通过对爆炸荷载作用下结构混凝土和钢筋连接的受力性能进行的一系列数值研究，逐渐加深了结构细节在影响受力中作用的理解。这些研究的结果表明当前爆炸设计程序可能存在安全问题。本文为纠正观察到的问题提供了建议。爱思唯尔科技有限公司版权所有。
关键词; 防爆;混凝土;钢;连接
- 简介
近50年来的大量研究表明，短期高强度荷载对结构响应有显著影响。爆炸荷载通常以比地震荷载快1000倍的速度作用于建筑物上。相应的结构响应频率可以大大高于常规荷载诱导的结构响应频率。此外，短期动态荷载往往表现出强烈的空间和时间变化，导致结构内的应力梯度急剧上升。众所周知，高应变率还会影响结构材料的强度和延性、加固的粘结关系、破坏模式和结构的能量吸收能力。
防爆结构必须是坚固的(即，具有良好的冗余)，以确保在局部故障情况下的替代负载路径。如果细部结构不能如预期那样发挥作用，则可能无法确保坚固性。最近在美国和日本发生的地震突显了结构连接的设计和施工技术上的缺陷。由于脆性破坏，钢筋和混凝土连接表现出令人吃惊的糟糕性能。研究表明，在爆炸荷载作用下，细部结构起着非常重要的作用。因此，更好地理解结构在爆炸荷载作用下的细部行为、开发更好的方法来改善结构是非常重要的。虽然在各种文献[1-6]中可以找到关于这个主题的大量信息，但是目前的设计过程通常没有明确地解决这些问题。TM 5- 1300[1]包含抗爆结构混凝土和钢连接的安全设计指南。
本文的重点是对钢结构和混凝土结构在爆炸作用下的典型连接进行了数值计算，确定结构连接的行为。
- 结构详细说明
在结构混凝土和结构钢中，节点的尺寸常常受到框架构件尺寸的限制。这种限制，加上薄弱的加固细节，可能会造成连接处无法达到所需的强度。Nilsson[7]的工作为连接处在静载荷作用下性能与内部细节之间的关系，他对此提出了一些看法。他指出，提供最大强度和最少的细节是利用了一根斜钢筋穿过内部角落。该杆在内角处抵抗了初始拉伸裂纹的发展(如第一裂纹模式)，使应力在内角处流动，防止了角分离和对角拉伸失效。Nilsson[7]表明，该特性使弯矩承载力超过设计弯矩，抗弯加固量可达0.76%。对于较大的用钢比例，建议增加垂直于对角线钢筋的箍筋，以防止二次拉伸裂缝。Park和Paulay[8]提出了对角支撑和桁架机构来描述关节对施加荷载的内阻。对于受拉钢筋量大于0.5%的梁柱连接，建议采用这种配筋方式。最近，Paulay[9]和Paulay及Priestly[10]使用平衡准则来处理关节核内维持对角压缩场所需的连接处加固。Nilsson[7]、Balint和Taylor[11]的试验表明，当45度对角钢筋加固混凝土内角处使用1.0%的受弯钢筋时，设计弯矩承载力是很容易达到的。除了增加对角钢筋的弯矩臂外，还增加了放置其他钢筋的可用空间。确定整体钢筋混凝土结构梁柱节点尺寸及梁柱节点纵向和横向配筋要求的设计程序是在不久前[12]建立的。然而，它最近的修订[13]目前正在重写。
这个简短的讨论表明，正如[14]中所指出的，直到最近关于连接设计的建议都是经验性的。然而，先进桁架模拟应用的发展也有助于开发一种合理的连接设计方法。Schlaich等人提出了一种设计应变分布呈明显非线性的结构区域的创新方法，并对此进行了广泛的讨论。针对传统设计方法不适用的各种结构细节，包括连接，开发了相应的杆系设计方法。已知的影响连接行为的因素，包括横向约束的影响和与斜拉应变相关的混凝土强度的降低，在[16]中进行了讨论。后来，相同的作者使用关于内部梁柱框架连接程序集[17]的可用数据来评估几个关键变量对连接行为的影响。有趣的是，他们发现实验技术的多样性在很大程度上要对观察到的连接处行为的经验解释的差异负责。
设计抗爆炸钢筋混凝土连接件的难度要大得多。Coltharp et al.[18]等对无剪切带构件的爆炸试验表明，在连接区域附近存在明显的对角剪切破坏。Krauthammer et al.[19]讨论了爆炸荷载作用下埋拱形节点性能不理想的实验观测结果。除了波莱[9]描述的力系统外，在这种情况下还会出现强惯性力。这种惯性力的大小、强度和分布(在时间和空间上)取决于结构的动力行为。这些参数可以用实验方法或数值方法计算。这两种方法由于加载环境的恶劣及其对材料性能和结构构件的影响存在着很大的困难。Krauthammer和DeSutter[20]通过模拟数值物理试验，研究了局部爆炸作用下的连接细节。他们根据研究结果推荐了初步的联合细节。对结构混凝土膝关节在内部爆炸下的类似考虑[21,22]提供了关于关节行为的额外信息。但是，为了更好地理解节点细部的贡献，还需要对爆炸荷载作用下的混凝土结构和钢结构节点进行进一步的研究。
[8]中提出的钢筋混凝土连接设计方法已应用于结构的抗意外爆炸设计中。这些建议被用于一个拟议的爆炸遏制结构，其三维行为进行了研究，研究结果最近发表了[23-26]。此外，目前的钢连接设计指南[27,28]也是在实验和理论研究的基础上制定的。然而，最近来自地震事件对钢结构损伤报告的数据[29-33]显示，钢连接的性能令人吃惊地差，并对其修改提出了建议。这些弱点也可能存在于现有的爆炸设计指南[1]中，并进行了评估，如[34]所示。本文是在这些研究的基础上提出的结构连接细节进行了数值计算。这些发现可以用来说明注意结构连接细节的重要性，这些细节是抵抗爆炸荷载所必需的。
- 参数的数值研究
对爆炸荷载作用下的结构混凝土和钢连接进行了数值模拟，如[20-26,34]所述。直接积分有限元代码DYNA3D[35]是主要的分析工具。但前期采用有限元代码SAMSON2[36]，采用混合DYNA3D有限差分方法对[24]进行了更有针对性的研究。使用合适的材料模型进行模拟是至关重要的，解决材料性能上的高应变率影响对于抗爆设计和数值分析都是重要的[1,37]。然而，我们必须确保选择合适的材料模型是建立在良好理解物理性能的基础上。
结构混凝土行为模拟的难点之一在于利用塑性材料模型模拟脆性行为。塑性材料模型最初是为分析韧性材料(如金属)而开发的，在计算上很有吸引力。他们采用数值算法来描述屈服后塑性流动和硬化现象。基于塑性的模型后来也被扩展来表示脆性材料中观察到的非线性和不可逆损伤。这种塑性模型包括必须选择的各种常数，以便对曲线拟合材料(单轴和/或双轴)试验数据进行数值响应。由于结构可以经历更复杂的变形和应变状态，使用这样的材料模型并不能保证结构响应是有效的。显然，基于塑性的模型不能够客观地表示脆性行为的重要物理关系，而且它们用于结构计算并不保证准确性。
重复产生应变率效应的问题使问题进一步复杂化。众所周知，混凝土等脆性材料的应变速率效应是在损伤演化过程中产生的复杂断裂过程。如[38,39]中所讨论的，最近的研究表明应变率敏感性可以归因于在断裂过程中抵抗裂纹张开的惯性效应。不幸的是，基于断裂力学的材料模型目前的计算效率很低，而且它们的使用需要大量的资源。因此，分析人员倾向于使用更熟悉和计算效率更高的塑性材料模型来模拟脆性材料的应变速率敏感性。为了实现这一目标，分析人员使用与粘度相关的算法创建类应变率行为。因此，将脆性材料的速度依赖性强度增强归因于塑性流动过程中的粘滞阻力。虽然这种方法对于物理行为表现出这种现象的材料是合理的，但对于脆性材料[38]的行为显然不是这样。显然，由于基于塑性的模型不能明确地处理脆性断裂，一些模型使用无效的物理现象来模拟脆性材料的响应，包括应变率效应。
采用包含了脆性材料的基于塑性的本构公式来模拟复杂的结构行为，期望得到有意义的结果。只有在真实的基于断裂力学的材料模型可用时，这个问题才能得到解决。同时，可以采用另一种方法来定义基于塑性材料模型中的常数。与其用材料试验数据标定本构关系中的常数，还不如用精确的结构响应数据拟合曲线。尽管这种差异听起来无关紧要，但它是基于一种不同的方法。这两种方法都使用非线性传递函数，表示材料和结构的行为，并带有反馈控制。第一种方法是使用曲线拟合来校准材料模型，然后用于结构模拟。第二种方法是对数据进行曲线拟合，以校准可用于模拟已知结构行为的材料模型。在第一种情况下，反馈仅作用于材料传递函数上，标定后的材料与另一非线性传递函数一起使用，没有反馈控制。在第二种情况下，反馈是关于组合材料和结构行为传递函数。通过使用第二种方法，基于塑性的计算模型有望更准确地模拟已知的结构行为。
使用动态增加因子(DIF)来描述应变率增强是众所周知的[1]。动态增加因子是应变率增强强度与静态强度的比值(如金属的动静态屈服应力比值)。设计和近似分析(如SDOF)都使用动态增加因子。然而，在高级数值模拟中必须小心使用动态增加因子。由于屈服应力受应变速率的影响较大，而极限应力受应变速率的影响较小，因此可以采用动力增大因子对钢结构进行分析。此外，由于应变率效应的裂缝相关原因，钢对应变率效应的敏感性不如脆性材料。这种差异使我们能够使用一个含有动态增加因子的基于塑性的钢材材料模型，就像在[34]中所做的那样。然而，对于脆性材料，由于其他几个本构参数受应变率(即不仅仅是抗压强度)的影响，在高级数值模拟中使用恒定的动态增加因子可能是不合理的。
用精度测试数据测试计算机代码后，再进行这些研究的数值模拟，下面将对此进行讨论。
4. 计算机代码验证
计算机代码必须经过验证，以确保它们的正确性。最近的一次研讨会[38]讨论了这些程序，在这些数值研究中采用的方法完全符合研讨会的建议。Feldman和Siess[40]的试验数据用于混凝土结构模拟，Lui[41]的数据用于钢结构分析。下面讨论这些数值研究。
这些研究采用了三种不同的混凝土材料模型。第一个混凝土模型是非局部连续损伤/塑性模型[42]，是为地下钢筋混凝土结构的中部结构相互作用分析而明确建立的[43,44]。该模型广泛用于钢筋混凝土梁在冲击荷载作用下的仿真。研究了网格尺寸、局部和非局部材料行为对位移、支座反应和非弹性工作历史的影响。第二种混凝土模型是通过对DYNA3D[35]中的“含破坏的土和易碎泡沫”模型进行修正而得到的。在这里，[21,22]也使用了该模型来模拟相同梁的性能。第三个混凝土模型基于修正的压缩场理论[45]，通过模拟相同梁的行为在[46]中得到验证。在所有情况下，钢筋都用离散梁单元来表示。此外，在这些研究中使用了有效的应力应变曲线，解释了钢的粘结效应[47]和应变率效应[37]。如[40]中报道的，在对DYNA3D[35]进行验证后，通过模拟对钢梁的冲击试验，在[34]中进行了结构钢连接的数值研究。将基于[37]的应变速率效应引入到DYNA3D的运动/各向同性弹塑性材料模型中，对钢梁进行了相应的模拟。
表1 [20]初步研究中考虑的单节点
序号 描述
1 在8混凝土的内角落里，20times;12列连接到20times;12。每面都用3 # 9钢筋加固(1.5%钢)。2从外面，对角线钢筋是3 # 8,放置在45°。根据[8]的要求，提供径向钢筋。
2 在梁内20times;18列连接到一个20times;18。这两种材料的表面都用7号钢筋加固(0.6%的钢材)。在交叉点的主要配筋，对角线用2 # 6条钢筋增强,放置在45°。没有提供径向钢筋。
3 与案例2相同，但在每个表面用3 # 9钢筋加固(1.0%钢)。在交叉点的主要配筋，对角线钢筋3 # 7,放置在45°。根据[8]的要求，提供径向钢筋。
4 与案例2相同，但在内侧角落有一个8英寸的混凝土。对角线钢筋是3 # 6,放置在45°。根据[8]的要求，提供径向钢筋。
5 与案例4相同，但对角线钢筋是3#7。
6 与案例 4相同，但连接处使用了纤维混凝土。
5. 混凝土结构连接
研究混凝土系统中结构细部行为的第一阶段描述在[20]中，它包括整体和预制节点和t节点的开口和附件。本文的研究重点是单节点，仅包括该研究的相关细节，如表1所示。这些连接采用了[7]、[8]中提出的基本节点加固，如图1所示。混凝土材料性能为:混凝土单轴抗压强度fcrsquo;为6ksi (41.4 MPa)，采用非局部连续损伤塑性混凝土模型[42]，采用显式积分有限元代码SAMSON2[36]。
加固采用60级钢的典型材料。屈服应力为65 ksi (448 MPa)，屈服应变为0.0018，极限应力为110 ksi (758 MPa)，极限应变为0.12。应变硬化，假设为0.01。案例6采用12%钢纤维浆状浸润纤维混凝土(SIFCON)加固连接区域。由Homrich和Naaman[48]定义，它的抗压强度为12ksi (83mpa。仿真中使用的等效荷载函数是基于Coltharp等人的测试数据[18]，如图2所示。集中荷载施加在梁段末端，如图1所示。
在完成上述初步工作之后，参考TM 5- 1300[1]的建议，对I型密封结构连接的详细要求进行了进一步的研究。考虑中的结构的几何形状如图3所示。本研究中所有计算均采用以下材料性质:混凝土的抗压强度为4 ksi (27.58 MPa)， 泊松比为0.16。钢的弹性模量E为29times;103 ksi (199.95 kPa)，泊松比为0.33，抗拉强度为60 ksi (413.7 MPa)，剪切模量为510 ksi (3516.4 MPa)。设计载荷模拟了300磅(136.36公斤)TNT炸药在规定通风条件下的爆炸。载荷函
资料编号：[4315]
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