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分离式RC板及CFRP防护材料的有限元分析.docx
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分离式RC板及CFRP防护材料的有限元分析.docx
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摘要
综 合 近 年 来 钢 筋 混 凝 土 ( reinforced concrete, RC ) 结 构 抗 爆 性 能 方 面 的 应 用 现 状 , 采 用
ANSYS/LS-DYNA 等有限元软件对爆炸荷载作用下钢筋混凝土板的动态响应进行了数值模拟研究,
并在此基础上进行了试验研究,对带初始裂纹 RC 板的不同加固层数、厚度等进行了试验分析。结
果显示,数值模型能够有效模拟爆炸荷载作用下 RC 板的动态响应及损伤失效过程,碳纤维复合材
料(carbon fibre reinforced plastics,CFRP)加固板提高了 RC 板的整体刚性及塑性性能,加固
板厚度越厚抗爆性能越好,且加固板层数存在最优值。研究为 RC 结构的抗爆加固设计提供了有效
的参考和依据。
Abstract
On the basis of application status analysis of the anti-explosion performance of
reinforced concrete (RC) structures in recent years, the numerical simulation of
the dynamic response of reinforced concrete plates under blast loading is carried out
by using ANSYS/LS-DYNA and other finite element softwares. Based on this, the
experimental research is carried out to test the different layers and thicknesses of
reinforced concrete plates with initial cracks. The results show that the numerical
model can effectively simulate the dynamic response and damage failure process of
the reinforced concrete plate under blast loading. Carbon fibre reinforced plastics
(CFRP) reinforced plates improve the overall rigidity and plasticity of the RC
plates. The thicker the reinforced plate is, the better the antiknock performance. At
the same time, there are optimal values for the number of layers of reinforcement
plates. The research provides an effective reference and basis for the anti-explosion
reinforcement design of reinforced concrete structures.
译
关键词
钢筋混凝土板; CFRP 加固材料; 有限元; 爆炸载荷
Keywords
reinforced concrete plates; CFRP reinforcement materials; finite element; explosive
load
译
钢筋混凝土(reinforced concrete,RC)结构是最常见的建筑结构,是建筑工程中最主要的存在
形式。由于 RC 结构中的钢筋和混凝土材料具有复杂的动力学和力学特性,RC 结构对爆炸冲击作
用的承受能力有限,其结构的局部破坏会导致整个结构的损坏,因此,在工程结构的设计和使用过
程中应充分考虑到爆炸荷载作用。
为提高 RC 结构的强度,减少爆炸负荷对 RC 结构的损伤和破坏,本文对爆炸冲击负荷的作用机理
进行了研究,通过研究建筑物的外部爆炸荷载参数以及超压力负荷预测的特点和方式,为 RC 结构
的抗爆加固设计提供有效的参考和依据。
1 研究模型
1.1 数值分析算法
1.1.1 流体控制方程
采用三维纳维-斯托克斯(Navier-Stokes,N-S)方程模拟流动特性,方程满足质量守恒定律、
动量守恒定律和能量守恒定律,其计算式如下:
∂Q∂t+∂(Fc−Fv)∂x+∂(Gc−Gv)∂y+∂(Hc−Hv)∂z+S=0∂Q∂t+∂(Fc-Fv)∂x+∂(Gc-Gv)∂y+∂(Hc-Hv)∂z+S=0
(1)
式中:Q 为瞬态矢量;S 为源性通量;F
c
、G
c
、H
c
为 x、y、z 方向上的粘性动量通量;F
v
、G
v
、H
v
为 x、y、z 方向上的对流动量通量。
1.1.2 固体求解算法
固体域的动力学方程为
Mq(t)+Cq(t)+Kq(t)=p(t)Mq(t)+Cq(t)+Kq(t)=p(t)
(2)
式中:M、C、K 分别为质量、阻尼和刚度矩阵;q(t)为位移;p(t)为流固耦合场。
1.1.3 流固耦合方法
综合考虑流固耦合的影响,其中流固边界和节点位移表示为
Δxa=GΔxsΔxa=GΔxs
(3)
式中:Δxa 为流体位移;Δxs 为固体位移;G 为样条矩阵。
1.2 材料模型
1.2.1 混凝土
本文采用 HJC(Holmquist-Johnson-Cook)本构模型模拟混凝土在不同冲击载荷下的爆破影响,
并对爆破荷载进行一定范围内的预测。规范化的等效应力公式为
σc=σyfcσc=σyfc
(4)
式中:σ
c
为实际等效应力;σ
y
为许可等效应力;fc 为静态屈服强度。
1.2.2 钢筋
钢筋材料 模型选择 Plastic-Kinematic 模型,采 用 Cowper-Symonds 模型对钢应变率 进行 分析,
具体的材料参数为:钢筋密度 ρs=7.85 kg/m
3
,钢筋弹性模量 Es=232 GPa,泊松比 v=0.31,
σy=563 MPa。
1.3 仿真模型
利用 ANSYS/LS-DYNA 软件对 RC 建筑的抗爆性能进行仿真分析,图 1 为模拟与试验布置图及测
试 原 理 , 图 2 为 RC 板 尺 寸 及 网 格 划 分 。 钢 筋 采 用 梁 单 元 Beam161, 混 凝 土 采 用 实 体 单 元
Solid164。钢筋和混凝土为单独节点,相互之间实现连接(不考虑两者之间的粘结滑移)。单位
网格尺寸为 5 mm×5 mm,RC 的单元数量为 20 800,钢筋单元数为 904。混凝土抗压强度为 48
MPa,钢筋屈服强度为 560 MPa。试验中,TNT 炸药质量为 2.09 kg,位于 RC 板正上方 0.60 m
处。为节省计算时间,取 1/4 板处为对称边界条件。
图 1 试验及模拟布置
Fig.1 Test and simulation layout
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