钢筋混凝土柱的剪切强度研究

钢筋混凝土柱的剪切强度研究

田敬涛

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摘要：爆炸载荷作为工程建设中的一项非常规载荷，在多种因素的影响下受到重视程度不断提升。钢筋混凝土柱是确保建筑物整体强度的关键因素，除了需要具有足够的强度外，还需要对其抗爆性能进行优化，新型混凝土材料以及钢筋材料的性能提升，在钢筋混凝土柱中采用高强度混凝土、高强度钢筋等，能够对钢筋混凝土柱的抗爆性能产生直接影响，所以在对钢筋混凝土柱进行设计时，需要明确不同强度材料产生的基本影响。

关键词：不同强度；混凝土；钢筋；钢筋混凝土柱；抗爆性能

在我现代工程建设领域，钢筋与混凝土是两项应用最为广泛的施工材料，主要用于构建建筑、道路等工程的钢筋混凝土结构。在钢筋混凝土柱施工建设过程中，不同强度的混凝土材料、钢筋材料，对于其抗爆性能会产生直接影响，所以为了提高钢筋混凝土柱强度及抗爆性能，保障工程质量，则需要明确具体的影响。因此，本文将对不同强度混凝土及钢筋对钢筋混凝土柱抗爆性能的影响方面进行深入地研究与分析，通过仿真实验的方式得到结果，旨在进一步明确具体影响因素及效果。

1有限元模型构建

为了能够准确模拟爆炸下钢筋混凝土柱的震塌效应，本文采用SPH方法对混凝土进行建模处理，该方法能够防止在极端变形问题中网格变形过大而引起的计算不准确问题，同时能够准确模拟复杂的自由表面和材料界面行为，包含固体破碎成碎片以及震塌效应等脆性断裂问题。端部混凝土采用三维实体网格单元，纵筋与箍筋采用梁单元进行建模。

在材料模型方面，端部混凝土三维实体网格单元与箍筋、纵筋的梁单元采用混凝土损伤模型，该模型为基于单体参数、无侧限抗压强度，采用自带的算法能够自动生成剩余模型参数，且在建模过程中还能够对参数进行修改，在部分研究中证明该模型方法对于钢筋混凝土柱的爆炸效应模拟效果较好。

在轴向力与爆炸载荷的模型构建方面，钢筋混凝土柱轴向载荷利用*LOAD_SEGMENT_SET关键字施加在钢筋混凝土柱顶部，采用*DEFINE_ENHANCED关键字在LS-DYNA软件中用于激活常规武器爆炸程序数据，从而生成与装药量和爆炸距离相关的超压—时间曲线平面波并通在钢筋混凝土柱的迎爆面中，该方法能够防止对爆炸装药和冲击波在空气中的传播进行详细建模问题，从而能够减少计算时间，同时具有良好的可靠性。

针对建筑构造柱施工的质量问题，施工过程中，必须提高相关施工人员对增设构造柱重要性的认识；根据设计要求和施工条件制定保证构造柱施工质量的技术措施方案，做好技术交底工作，在施工过程中严格执行，并做好“三检”制，责任落实到人。

2高性能钢筋混凝土柱参数分析

通过采用上文选择的仿真模型、材料模型以及其他参数，分析对象采用原型钢筋混凝土柱，柱高3.5m，钢筋混凝土柱脚底面竖向方向的位移被约束，柱脚看作为固支；柱头以及柱脚周围水平方向位移被约束，在柱顶采用轴向载荷，钢筋混凝土柱顶因为轴向力的作用能够沿竖直方向移动。20M型纵筋配筋率为2.67%，10M型箍筋配筋率为40，轴压比为0.2。为了能够得到准确的测试结果，严格依据相关标准规定，保持比例距离Z为0.8m/kg1/3，先采用50kgTNT炸药在钢筋混凝土柱跨中正上方进行爆炸，之后爆炸载荷增加50kgTNT对新的钢筋混凝土柱进行爆炸试验，直到钢筋混凝土柱无法承受轴向载荷全部垮塌，根据试验数据看出，在200kgTNT炸药的爆炸载荷作用下，钢筋混凝土柱跨中位移曲线不断增加，轴向承载力向0逐渐变化，最终全部破坏。

通过采用有限元模型，对30MPa、80MPa以及140MPa三种不同强度钢筋混凝土柱在爆炸载荷作用下动态响应进行分析，计算保持比例距离为0.8m/kg1/3不变，利用改变炸药量的方式调整爆炸载荷，不断增加炸药使用量，直到钢筋混凝土柱全部垮塌。根据实验数据可以看出，在混凝土强度不断提升的情况下，钢筋混凝土柱跨中位移相继减少，在150kg炸药的爆炸荷载下，30MPa钢筋混凝土柱跨中位移为29.1mm，80MPa钢筋混凝土柱跨中位移为23.6mm，140MPa钢筋混凝土柱跨中位移为13.7mm。在混凝土不断提高的情况下，钢筋混凝土柱承受爆炸荷载的能力也在不断提升，在混凝土强度从30MPa增加到80MPa时，需要额外使用100kg炸药才能够将钢筋混凝土柱全部破坏；在使用140MPa超高性能混凝土时，与80MPa钢筋混凝土柱承受的250ka炸药相比，相同比例距离下该钢筋混凝土柱结构能够承受炸药量提高了10倍；同时还能够看出，超高性能钢筋混凝土柱的延性有所提升，破坏过程中跨中位移提高到了129mm，延性相比于高强度钢筋混凝土柱提高4倍左右；30MPa、80MPa钢筋混凝土柱跨中位移分别为29.1mm和31.4mm，高性能混凝土柱的延性没有明显提升，虽然高性能混凝土能够更好地控制爆炸荷载中的最大位移以及残余位移，但是不能够提供更大的延伸，说明挠性构件抗爆性能受到拉伸钢筋性能的影响更大。

为了明确高速钢对于钢筋混凝土柱在爆炸荷载作用下受到的影响，对30MPa混凝土与常规强度钢筋组合、30MPa混凝土与高速钢组合、140MPa超高强度沪宁图与常规强度钢筋组合以及140MPa超高性能混凝土与高速钢组合等四种不同组合进行仿真计算。在实验过程中，针对超高性能混凝土的钢筋混凝土柱，在爆炸载荷为1500kg时，常规强度钢筋加固钢筋混凝土柱的位移为82.6mm，高速钢加固钢筋混凝土柱位移为70.3mm；在30MPa的钢筋混凝土柱，采用常规强度钢筋提高了钢筋混凝土柱的抗爆能力，比如常规强度钢筋混凝土柱能够承受150kg的爆炸荷载，高速钢钢筋混凝土柱能够承受200kg爆炸荷载；但是在超高强度混凝土柱中，采用高速钢反而使得钢筋混凝土柱抗爆能力降低，常规强度钢筋的超高性能钢筋混凝土柱能够承受2500kg爆炸荷载，高速钢超高性能钢筋混凝土柱能够承受1500kg爆炸荷载，主要是因为采用高速钢对超高性能钢筋混凝土柱加固后，使得柱体脆性增加，出现超筋梁问题，从而更容易发生剪切破坏问题。

结论

本文采用有限元显示动力分析软件构建了钢筋混凝土柱的三维有限元模型，通过仿真试验的方式，对不同强度混凝土与钢筋材料对于钢筋混凝土柱的抗爆性能进行分析，随着混凝土强度的提升，钢筋混凝土柱抗爆性能不断增加，能够承受更高的爆炸载荷。对于高强度混凝土柱而言，钢筋强度的提升能够有效提高其抗爆性能，但是对于超高强度混凝土柱而言，钢筋材料的提升会降低其抗爆性能，主要是由于钢筋混凝土柱脆性增加。

参考文献：

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