近爆作用下压型钢板组合楼板动力响应及影响因素数值分析

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摘 要：利用有限元软件ANSYS/LS-DYNA，采用流固耦合的计算方法，对压型钢板组合楼板在近爆炸荷载作用下进行了不同工况的数值模拟，得出其受力形态，分析其动力响应及破坏过程，找出影响楼板动力响应的主要因素。数值分析结果表明：适当增加混凝土厚度和提高压型钢板强度，可以显著降低组合楼板的跨中最大位移，提高组合楼板的延性和抗爆性能；组合楼板中钢筋间距的变化，对组合楼板抗爆性能影响较小。

关键词：爆炸荷载；组合楼板；动力响应；影响因素；数值分析

中图分类号：TU398.9

文献标志码：A文章编号：1674-4764（2016）05-0050-09

Abstract：Explicit dynamic finite element program ANSYS/LS-DYNA is adopted. According to the method of fluid-structure interaction， profiled steel-concrete composite slab is simulated under near explosion in different conditions. And the stress form， the dynamic responses and failure process were analysed. Numerical analysis results show that the largest displacement of composite floor slab can be significantly reduced with increasing the thickness of the concrete and improve the strength of the steel plate. The ductility and anti-explosion performance of composite floor slab can be improved. The anti-explosion performance of composite floor slab has less effect by changing reinforced spacing. The reference and basis can be provided for antiknock design of profiled steel-concrete composite slab.

Keywords：blast load； composite slab； dynamic response； influencing factors； numerical analysis

近年来意外爆炸事件时常发生，人们逐渐了解了一些发生在身边和生活中的爆炸现象，如煤气爆炸、化学品爆炸、恐怖袭击爆炸等。2015年8月的天津塘沽大爆炸事故产生了重大影响，引起了人们的重视和警惕。爆炸荷载和静力荷载不同，属于动力问题[1]，且爆炸荷载具有速度快、偶然性大、作用时间短、冲击性强等特性，动力响应复杂，发生时间一般都不可预测。目前，建筑结构的防爆抗爆性能已经成为人们研究的热点。研究人员近年来对建筑结构及构件在爆炸荷载作用下的响应等性能及方法进行了大量的研究，取得了很多成果。Karagiozova等[2]研究了方形截面空心梁受横向冲击荷载的作用规律。Thiagarajan等[3]选择不同的材料，通过实验和数值模拟研究爆炸荷载作用下的混凝土楼板，得出此情况下高强材料的优缺点、适用性以及结构破坏的裂纹扩展情况。Chen等[4]采用有限元软件LS-DYNA数值模拟了预应力钢筋混凝土梁在爆炸载荷作用下的动力响应和抗爆性能，结果表明，预应力钢筋混凝土梁比非预应力混凝土梁的抗爆承载力高。汪维等[5]研究了钢筋混凝土构件在爆炸载荷作用下的破坏模式。柳锦春等[6]采用分层Timoshenko梁非线性动力有限元法对爆炸作用下钢筋混凝土钢板组合梁动力响应进行数值分析，分析了各种参数对混凝土钢板组合梁动力性能的影响。Shi等[7]研究了在爆炸荷载作用下钢筋混凝土墙的损伤及风险评估。田力等[8]研究了碰撞冲击荷载作用下钢筋混凝土柱的动态响应及破坏模式。崔莹等[9]对复式空心钢管混凝土柱抗爆性能及损伤进行了研究。朱新明[10]利用LS-DYNA软件对钢箱梁爆炸冲击局部破坏进行了数值模拟研究。丁阳等[11]对爆炸荷载作用下钢框架结构连续倒塌进行了数值分析。李世强等[12]用有限元分析软件AUTODYN对爆炸冲击波在地铁车站内的传播规律进行数值模拟。姚宇飞等[13]对爆炸荷载下钢筋混凝土框架结构连续倒塌分析方法进行比较分析。高轩能等[14]采用Ritz-POD方法对大空间柱壳结构爆炸动力响应进行了数值模拟。

近年来，随着钢结构在建筑领域的快速发展，压型钢板混凝土组合楼板被广泛应用。而压型钢板混凝土组合楼板抗爆性能研究尚未报道，因此，研究组合楼板抗爆性能具有十分重要的意义。

笔者采用ANSYS/LS-DYNA动力分析软件，对爆炸荷载作用下压型钢板混凝土组合楼板单向板的动力响应及影响因素进行数值模拟分析。

1 有限元数值模型建立

1.1 计算模型

研究对象为压型钢板混凝土组合楼板，板宽度为B，板跨度为L。TNT炸药距楼板正上方的距离为R，炸药的等效TNT当量为W，即比例距离Z=R/3W，计算模型如图1所示，楼板细部剖面如图2所示。

1.2 材料模型

材料模型及相关参数的选取对数值模拟结果的准确性起着决定性作用。在数值计算时，只需在LS-DYNA程序中选择合适材料模型和状态方程，并定义相关参数。文献[15]是选取材料模型的依据，文献[16-19]采用数值模拟和试验相结合的方法，验证其材料参数的可行性与准确性。