摘要：運(yùn)用顯式動(dòng)力有限元分析軟件LSDYNA建立了一個(gè)四層兩跨鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的有限元模型，并對(duì)其施加爆炸荷載，在爆炸荷載僅引起結(jié)構(gòu)關(guān)鍵柱失效的情況下，研究了不同比例距離爆炸荷載作用下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)及倒塌過(guò)程；同時(shí)采用美國(guó)國(guó)防部2009年出臺(tái)的建筑物抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)規(guī)范UFC 402303中推薦使用的替代傳力路徑法對(duì)相同的四層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了非線性動(dòng)力連續(xù)倒塌分析。通過(guò)比較研究上述數(shù)值分析結(jié)果，揭示了UFC 402303規(guī)范推薦使用的替代傳力路徑分析方法的不足，進(jìn)而對(duì)考慮爆炸荷載作用的結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌分析設(shè)計(jì)方法的改進(jìn)提出了設(shè)想。研究結(jié)果表明：通過(guò)引入爆炸荷載放大系數(shù)來(lái)考慮爆炸荷載作用的影響具有更廣的適用范圍。
關(guān)鍵詞：鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)；爆炸荷載；連續(xù)倒塌；數(shù)值模擬；非線性動(dòng)力分析
中圖分類(lèi)號(hào)：TU375.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A
0引言
由恐怖襲擊、意外爆炸等事件引發(fā)的結(jié)構(gòu)關(guān)鍵承力構(gòu)件破壞從而最終導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)連續(xù)坍塌，常常會(huì)造成嚴(yán)重的人員傷亡和巨大的經(jīng)濟(jì)損失[12]。自1995年4月19日美國(guó)俄克拉瑪市中心的Alfred P. Murrah聯(lián)邦政府大樓遇爆炸襲擊發(fā)生連續(xù)倒塌后，美國(guó)開(kāi)始對(duì)非軍用設(shè)施提出結(jié)構(gòu)抗爆、抗連續(xù)倒塌的安全設(shè)計(jì)要求，在調(diào)查研究后，所提出的替代傳力路徑法先后被GSA[3]（US General Services Administration）及DOD（US Department of Defense）所采用，并寫(xiě)入了其關(guān)于結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)和分析的導(dǎo)則中。美國(guó)國(guó)防部于2005年出臺(tái)建筑物抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)規(guī)范UFC 402303，并于2009年對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)[4]。規(guī)范中對(duì)不同等級(jí)、不同情況的建筑采用的連續(xù)性倒塌分析與抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)定，替代傳力路徑法被應(yīng)用到了規(guī)范中。該方法通常先刪除結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵構(gòu)件，然后通過(guò)增加關(guān)鍵構(gòu)件周?chē)Y(jié)構(gòu)所承受的荷載進(jìn)而對(duì)結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)的連續(xù)倒塌情況進(jìn)行模擬分析，主要分為3個(gè)分析層次，即線性靜力分析、非線性靜力分析及非線性動(dòng)力分析，每個(gè)層次有不同的分析步驟，分析結(jié)果的可靠程度也不相同，其中非線性動(dòng)力分析最為可靠。然而該方法并未考慮引起關(guān)鍵構(gòu)件失效的原因，也未考慮關(guān)鍵構(gòu)件失效時(shí)剩余結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)的初始損傷及非零初始狀態(tài)。在爆炸荷載造成結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件失效而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生連續(xù)倒塌的情況中，由于爆炸荷載峰值大、傳播速度快、作用時(shí)間短等特點(diǎn)，使得在爆炸荷載作用下結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌過(guò)程十分復(fù)雜，往往在關(guān)鍵構(gòu)件失效的同時(shí)，其周?chē)徑鼧?gòu)件也伴有初始損傷。因此，如何考慮爆炸荷載作用，在上述分析方法中引入爆炸荷載效應(yīng)，從而得到一種簡(jiǎn)單可靠并實(shí)用的爆炸荷載作用下結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌的設(shè)計(jì)方法就顯得尤為重要。
爆炸荷載用LSDYNA中的LOAD_BLAST_EHANCED命令沿y軸正向施加到結(jié)構(gòu)表面上，該命令采用的爆炸荷載曲線是美國(guó)抗偶然爆炸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)TM 51300[11]中根據(jù)大量試驗(yàn)分析得到的不同質(zhì)量炸藥在不同位置爆炸后作用在結(jié)構(gòu)上的反射超壓隨時(shí)間變化曲線，通過(guò)定義炸藥量、起爆位置而自動(dòng)施加在結(jié)構(gòu)表面上，并考慮了爆炸波到結(jié)構(gòu)不同位置的傳播時(shí)間、入射角度及峰值荷載大小的不同。 1.4爆炸荷載下的數(shù)值模擬
運(yùn)用上述建立的有限元模型，采用直接模擬方法，對(duì)四層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)在不同比例距離的爆炸荷載作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和破壞倒塌過(guò)程進(jìn)行模擬。為了與采用替代傳力路徑法計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，在選取爆炸荷載時(shí)，僅考慮爆炸引起結(jié)構(gòu)底層中柱失效和引起結(jié)構(gòu)底層邊柱失效的2組爆炸荷載工況。
1.4.1僅底層中柱破壞
在四層框架結(jié)構(gòu)模型上施加恒荷載和活荷載，經(jīng)歷100 ms后，結(jié)構(gòu)基本達(dá)到靜力平衡。因此在時(shí)間t=100 ms時(shí)的瞬間對(duì)結(jié)構(gòu)施加爆炸荷載，并模擬整體結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)、損傷破壞及連續(xù)倒塌過(guò)程。
2.1移除底層中柱
對(duì)結(jié)構(gòu)施加豎向荷載100 ms至結(jié)構(gòu)達(dá)到靜力平衡，隨后采用ISDYNA重啟動(dòng)程序，移除底層中柱C2柱的所有鋼筋和混凝土單元，對(duì)剩余結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性動(dòng)力分析，t=800 ms時(shí)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)如圖4所示。
2.2移除底層邊柱
對(duì)結(jié)構(gòu)施加豎向荷載100 ms至結(jié)構(gòu)達(dá)到靜力平衡，再采用ISDYNA重啟動(dòng)程序，移除底層邊柱C3的所有鋼筋和混凝土單元，對(duì)剩余結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性動(dòng)力分析，t=800 ms時(shí)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)如圖5所示。
3直接模擬法與替代傳力路徑法分析結(jié)果對(duì)比分別提取出直接模擬法和替代傳力路徑法模擬結(jié)果中關(guān)鍵考察點(diǎn)的位移、速度、加速度等動(dòng)力特性及關(guān)鍵位置處所考察的鋼筋單元的應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比。
3.1考察點(diǎn)的選取
所選擇的考察點(diǎn)A～F位置如圖1所示。結(jié)構(gòu)底層中柱失效時(shí)，為比較研究結(jié)構(gòu)的倒塌情況與倒塌過(guò)程，選取底層中柱失效后結(jié)構(gòu)豎向位移最大處的點(diǎn)為考察點(diǎn)，即結(jié)構(gòu)四層中柱頂點(diǎn)A；為比較研究中柱失效后結(jié)構(gòu)內(nèi)力較大位置處的力學(xué)行為，選取內(nèi)力最大處的梁端鋼筋單元為考察對(duì)象，即1號(hào)縱筋單元；為比較研究爆炸荷載對(duì)除中柱以外其他構(gòu)件的初始影響，考察距離中柱較近受爆炸荷載影響較大的底層中柱頂點(diǎn)C以及二層中柱中點(diǎn)D的動(dòng)力特性。底層邊柱失效時(shí)相應(yīng)的考察點(diǎn)和考察單元為：結(jié)構(gòu)四層邊柱頂點(diǎn)B；梁端2號(hào)縱筋單元；底層中柱中點(diǎn)E以及二層邊柱中點(diǎn)F。
3.2底層中柱破壞對(duì)比分析
3.4考慮爆炸荷載作用的結(jié)構(gòu)抗倒塌設(shè)計(jì)方法
在爆炸荷載作用下，不同的爆炸荷載對(duì)引發(fā)結(jié)構(gòu)相同構(gòu)件失效時(shí)產(chǎn)生的整體結(jié)構(gòu)內(nèi)力都不相同。采用UFC 402303規(guī)范中的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)只適用于一定范圍內(nèi)的爆炸荷載引發(fā)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件失效的情況。如果在設(shè)計(jì)規(guī)范中能增加對(duì)爆炸荷載的考量，即根據(jù)不同爆炸荷載等級(jí)，采用不同的設(shè)計(jì)條款，那么就能更加準(zhǔn)確安全地對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，大大增加了結(jié)構(gòu)在恐怖襲擊和意外爆炸發(fā)生時(shí)抵抗連續(xù)倒塌的能力。
依據(jù)本文中所做的分析，可以考慮針對(duì)不同的結(jié)構(gòu)類(lèi)型、不同的材料類(lèi)型，提出一個(gè)考慮爆炸荷載作用效果的爆炸荷載放大系數(shù)，在對(duì)結(jié)構(gòu)施加荷載組合值時(shí)運(yùn)用這個(gè)系數(shù)，使結(jié)構(gòu)抗倒塌設(shè)計(jì)更有針對(duì)性。該系數(shù)可以通過(guò)以下研究方法來(lái)提出：
（1）首先建立考慮不同等級(jí)爆炸荷載作用的結(jié)構(gòu)分類(lèi)等級(jí)，以便確定不同等級(jí)下結(jié)構(gòu)所需使用的爆炸荷載放大系數(shù)。
（2）建立大量的結(jié)構(gòu)模型，針對(duì)每個(gè)結(jié)構(gòu)模型，列出替代傳力路徑法中規(guī)定所需拆除的關(guān)鍵構(gòu)件，在這些關(guān)鍵構(gòu)件的不同位置上施加不同比例距離的爆炸荷載，使得該構(gòu)件發(fā)生破壞，將結(jié)構(gòu)響應(yīng)結(jié)果分別與線性靜力、非線性靜力和非線性動(dòng)力分析方法的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分別算出一個(gè)與爆炸荷載比例距離相關(guān)的爆炸荷載放大系數(shù)。在該系數(shù)參與下，使得結(jié)構(gòu)線性分析和非線性分析結(jié)果與相應(yīng)比例距離下爆炸荷載作用的結(jié)果相符。該系數(shù)類(lèi)似于靜力荷載放大系數(shù)，使用時(shí)只需將其與荷載組合值相乘，轉(zhuǎn)換為豎向或側(cè)向荷載的形式施加到結(jié)構(gòu)上。
�。�3）對(duì)算出的爆炸荷載放大系數(shù)進(jìn)行參數(shù)化歸納，將其總結(jié)整理成表格或公式，并總結(jié)其適用范圍及使用方法。
在結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)時(shí)，首先判斷結(jié)構(gòu)抗爆等級(jí)類(lèi)型，即判斷結(jié)構(gòu)可能遭遇哪種程度的爆炸荷載，針對(duì)該爆炸荷載值，計(jì)算相應(yīng)的爆炸荷載放大系數(shù)，再應(yīng)用到結(jié)構(gòu)受力分析中，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)。4結(jié)語(yǔ)
�。�1）結(jié)構(gòu)在爆炸荷載作用后，除關(guān)鍵構(gòu)件失效外，其余鄰近爆炸源的構(gòu)件都產(chǎn)生了不同程度的初始應(yīng)力，某些構(gòu)件甚至出現(xiàn)了初始損傷。在這些初始應(yīng)力和關(guān)鍵構(gòu)件失效后結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布的共同作用下，結(jié)構(gòu)很有可能發(fā)生倒塌。
�。�2）在同一實(shí)際爆炸距離上，炸藥量越大，作用在結(jié)構(gòu)上的反射超壓就越大，在初始狀態(tài)僅一根結(jié)構(gòu)柱失效時(shí)，其鄰近構(gòu)件產(chǎn)生的初始損傷就越大，結(jié)構(gòu)就越容易發(fā)生倒塌，倒塌的速度也越快。
�。�3）由于沒(méi)有考慮爆炸荷載作用后結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的初始應(yīng)力，因而UFC 402303規(guī)范中的非線性動(dòng)力分析方法僅適用于某特定范圍內(nèi)的爆炸荷載作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析。一旦爆炸荷載超出該范圍，由該方法設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)便不能抵抗由爆炸引發(fā)的連續(xù)倒塌。
�。�4）對(duì)于兩跨結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，相同的爆炸荷載下結(jié)構(gòu)中柱比結(jié)構(gòu)邊柱更容易發(fā)生破壞，中柱的最先破壞比邊柱的最先破壞更容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的整體傾覆倒塌�；趯�(duì)比分析結(jié)果，本文提出了引入爆炸荷載放大系數(shù)的設(shè)想來(lái)考慮爆炸荷載作用的影響，進(jìn)而對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行連續(xù)倒塌分析和抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)。
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