基于ANSYS_LS-DYNA的人防墙抗冲击性能研究_张梦琳.pdf

第 卷第期 青 岛 理 工 大 学 学 报 基于 的人防墙抗冲击性能研究张梦琳，张纪刚，马哲昊，赵阳（青岛理工大学 土木工程学院，青岛 ；青岛国工高新材料有限公司，青岛 ）摘要：为了研究人防墙在冲击荷载作用下的动态响应，首先，采用 有限元软件对已有试验进行模拟，试验数据与模拟结果吻合较好，验证了有限元模型的合理性。其次，利用流固耦合算法建立某防空地下室人防墙的足尺模型，分析不同冲击能量、边界条件、轴压比和抗弯承载力对人防墙抗冲击性能的影响。结果表明：冲击能量越大，人防墙的破坏形态越严重；边界约束条件增强，人防墙抗冲击性能提高；随着轴压比增大，人防墙刚度增大，墙中最大位移减小；增加墙厚最有利于提高人防墙的抗弯承载力，从而提高人防墙的抗冲击性能。最后，对有限元模拟结果进行拟合，提出了人防墙在不同边界条件下非弹性变形的最大位移经验公式，为相关人防工程提供设计依据。关键词：人防墙；冲击荷载；动态响应；有限元模拟；最大位移经验公式中图分类号：文献标志码：文章编号：（）收稿日期：基金项目：国家自然科学基金青年基金资助项目（）作者简介：张梦琳（），女，江苏连云港人。硕士，研究方向为结构抗冲击。：。通信作者：张纪刚（），男，山东沂水人。博士，教授，主要从事结构抗冲击、结构加固与装配式研究方面的研究。：。，（，；，）：，；，；，；青 岛理工大学学报第 卷 ，：；随着我国国民经济高速持续发展，城市建设规模和水平不断提高，人们对城市地下空间的开发与利用越来越关注，对城市综合防灾抗灾、防空袭能力的要求也越来越高。因而，作为与经济建设协调发展、与城市建设相结合的人防工程建设即将迈向新高度，我国人民防空事业发展也将迎来新高潮。人防墙是人防结构工程中的基本构件，研究人防墙在冲击荷载作用下的动态响应对人民防空工程的发展具有重要意义。目前国内外学者对钢筋混凝土（）结构的抗冲击性能进行了大量的试验研究和数值模拟。等进行 梁的落锤试验和数值模拟，研究不同落锤高度和纵筋配筋率下 梁的动态响应；等和 等进行一系列 梁的落锤低速冲击试验，提出 梁非弹性变形的最大挠度经验公式；赵武超等利用 有限元软件，研究不同箍筋间距、边界条件、冲头形状和面积以及冲击位置对 梁抗冲击性能的影响；田力等利用 软件对刚性球撞击 柱进行模拟，研究 柱在不同冲击质量、冲击速度、混凝土抗压强度、纵筋配筋率和箍筋配筋率下的动态响应；孟一等对混凝土圆柱体试件进行落锤轴向冲击试验，分析不同冲击速度和边界条件下试件的动力效应，采用连续帽盖模型（）进行模拟，并验证了 模型的可行性；等对不同支撑条件的 板进行落锤冲击试验，并采用 有限元模拟加以验证；易伟建等和宿华祥等利用 软件对 墙进行数值模拟分析，研究冲击能量、轴压比、配筋率、墙宽和边缘构件等因素对 墙抗冲击性能的影响。普通的钢筋混凝土结构和人防工程结构存有差异，如人防墙的墙厚、配筋均大于普通的 墙，且人防墙屈服后开裂状态仍为正常工作状态，而普通的 墙对裂缝有严格的限制。本文基于 软件对某防空地下室人防墙建立足尺模型，进行人防墙摆锤冲击试验的有限元分析，研究冲击荷载作用下不同冲击能量、边界条件、轴压比和抗弯承载力对人防墙抗冲击性能的影响；对有限元模拟结果进行拟合，提出了人防墙在不同边界条件下非弹性变形的最大位移经验公式。表人防墙有限元模型主要参数墙体编号宽高厚（）混凝土强度等级纵筋配筋率 有限元模型模型介绍采用 软件，模拟人防墙在摆锤冲击荷载作用下的动态响应。人防墙有限元模型主要参数见表。人防墙模型取自某防空地下室的临空墙，以墙 为例，墙 的有限元模型如图所示。墙体宽，高 ，厚 ，保护层厚度为。墙体双层双向配筋，纵筋为 ，分布筋为 ，纵筋配筋率为 ，拉结筋为 ，呈梅花形排列。墙 的具体截面尺寸及配筋如图所示。使用耦合法建立钢筋混凝土分离式模型，有研究表明：在冲击荷载作用下，钢筋与混凝土之间的黏结性能会增强，故模拟时可不考虑二者之间的滑移。混凝土、支座、摆锤均采用 实体单元，钢筋采用 梁单元。所有部件间的接触采用自动单面接触算法，摩擦系数与接触表第期张梦琳，等：基于 的人防墙抗冲击性能研究面的相对速度有关。为了获得冲击力，给摆锤定义力传感器，并使用 文件输出接触力。沙漏控制采用沙漏系数为 的全局沙漏控制。图墙的有限元模型图墙的截面尺寸及配筋（单位：）材料模型混凝土采用 中 模型模拟，在 模型中输入混凝土的密度、强度、最大粒径和单位制等参数，即可考虑材料的硬化、损伤以及率相关性，该模型能较好地模拟在低速冲击作用下混凝土结构的弯曲和剪切行为。为了避免混凝土单元变形太大而造成网格畸形，采用附加腐蚀算法来模拟混凝土失效单元退出工作，侵蚀应变按文献 中的参数取值，设置当混凝土单元最大主应变超过 时删除失效单元。钢筋采用随动双线性弹塑性本构模型，该模型可以考虑应变率的影响和设置失效单元。引入 模型来考虑钢筋的应变率效应，应变率与屈服应力的关系公式为?（）（）（）式中：为屈服应力；为硬化参数；为初始屈服应力；?为应变率；，为应变率相关参数；为有效塑性应变；为塑性硬化模量。钢筋单元失效应变按文献 中的参数取值，即当等效塑性应变达到失效应变 时，删除该钢筋单元来模拟钢筋的断裂。摆锤为直径 ，长 ，质量的圆柱体模型。摆锤采用线弹性材料，使用 对摆锤施加初速度。根据文献 和文献 中边界条件的设定，本文建立支座模型来实现墙体边界约束的施加，支座均采用自由度全约束的刚体材料。如图所示，墙 的左右端建立厚度为 的刚体支座模型，将人防墙左右端的边界条件设为固定约束；墙 的上下端建立直径为 的刚体支座模型，将人防墙上下端的边界条件设为简支约束。各材料模型的参数见表。表材料参数部件材料模型材料参数混凝土 。钢筋 ，。摆锤 ，。支座 ，。青 岛理工大学学报第 卷模型验证为验证有限元模型的可行性，采用上述材料模型分别对文献 中的 板、文献 中的 墙和文献 中的人防板进行模拟。文献 为 板的落锤冲击试验。对其中的板（三边简支）和板（两邻边简支）的板中最大位移时程曲线进行试验与模拟对比，如图所示。试验与模拟的位移时程曲线趋势基本一致，验证了材料模型参数的合理性。文献 为 墙的摆锤冲击试验。对墙和墙 进行模拟，冲击力时程曲线、墙体背面损伤图的试验与模拟对比如图所示。试验与模拟结果吻合度较好，二者的冲击力峰值较为相近，模拟的荷载持时略短于试验结果（图（）。墙体背面的试验裂缝图和模拟损伤图均呈放射状破坏，模拟损伤图较好地反映了墙体背面的裂缝发展（图（）。图 墙的试验与模拟对比文献 为人防板的落锤冲击试验。人防板的试验与模拟对比如图所示。冲击力峰值的试验与模拟结果较为相近（图（）；试验与模拟的纵向钢筋应变时程曲线走势大致相同（图（）。图（）中涂黑和画阴影部分均表示混凝土剥落，试验与模拟的混凝土剥落区域基本重合，裂缝均沿对角线方向发展。图人防板的试验与模拟对比第期张梦琳，等：基于 的人防墙抗冲击性能研究动态响应分析为了更好地研究人防墙在冲击荷载作用下的动态响应，建立人防墙的足尺模型，分析不同冲击能量、边界条件、轴压比和抗弯承载力对人防墙抗冲击性能的影响。冲击能量由墙的截面尺寸和配筋建立如图所示的人防墙足尺模型，边界条件为左右固支，上下简支，轴压比为。通过改变摆锤的冲击速度来确定冲击能量的大小。冲击能量通过钢筋变形和混凝土开裂迅速扩散。图为不同冲击能量下墙体中部纵向受拉钢筋应变时程曲线。由图可知，当冲击速度为、冲击能量为 时，受拉区钢筋应变值大于 ，纵向受拉钢筋屈服，墙体进入塑性阶段。人防工程结构一般以受拉主筋屈服后的塑性工作状态为其正常工作状态，故纵向受拉钢筋应变值为 内的人防墙处于塑性正常工作状态。随着冲击能量的增大，钢筋变形加剧，纵向受拉钢筋应变逐步增大。当冲击速度为、冲击能量为 时，受拉区钢筋应变值大于极限拉应变 ，墙体达到承载能力极限状态。图为不同冲击能量下人防墙混凝土损伤。由图可知，人防墙在不同冲击能量作用下的局部破坏表现为裂缝均集中在冲击点背面附近区域。冲击能量越大，墙体背面裂缝发展越严重。当冲击速度为、冲击能量为 时，墙体背面中部出现混凝土剥落现象；当冲击速度为、冲击能量为 时，墙体背面中部混凝土大面积剥落，墙体正面冲击点处出现贯穿裂缝，此时墙体已达到密闭极限状态。图为不同冲击能量下人防墙整体变形。墙的墙高为 ，上下端简支，两端约束为 ，则人防墙的有效高度为 。对比图和图可知，人防墙在不同冲击能量作用下的整体破坏均表现为墙体弯曲变形。墙体跨中位移最大，形成塑性铰，墙体跨中混凝土裂缝发展最为严重；墙体其他部分基本呈直线状，未有明显变形。随着冲击能量的增大，墙体弯曲变形的整体破坏增大，跨中位移也随之增大，导致墙体背面混凝土开裂的局部破坏也愈加严重，故在冲击荷载作用下人防墙的整体破坏相对于局部破坏起控制作用。边界条件根据人防工程实际情况，模拟时将人防墙的左右端设为固支，上下端的边界条件由墙与顶底板的构造因素来确定，分为以下三种：上下简支、上简支下固支和上下固支。当冲击能量为 时，人防墙达到极限状态，在此条件下，对墙进行不同边界条件下人防墙抗冲击性能的研究。图为不同边界条件下冲击力时程曲线。由图可知，冲击力时程曲线的形状均由两部分组成，一个是大振幅的三角形，另一个是小振幅的半正弦曲线。不论边界条件如何，冲击力峰值都是相似的。三种边界条件作用下的冲击荷载均类似于化爆荷载，荷载持续时间十分短促，只有 甚至更短。边界约束条件越强，荷载持续时间越短。图 为不同边界条件下墙中最大水平位移时程曲线。由图 可知，人防墙受到冲击后获得初速度而产生自由振动，由于阻尼作用，振动逐渐衰减，边界约束越强，墙体刚度越大，自振周期越小。墙体四边固支的墙中最大水平位移相比于上下简支左右固支的位移减少了 ，相比于上端简支其他固支的位移减少了 ，原因是冲击荷载作用下边界约束越强，人防墙的“薄膜效应”越明显，墙体的极限承载力提高，墙中最大水平位移也相应减小。由此可知，增强边界约束条件能显著提高人防墙的抗冲击性能。青 岛理工大学学报第 卷图不同冲击能量下人防墙混凝土损伤第期张梦琳，等：基于 的人防墙抗冲击性能研究轴压比一般情况下，将人防墙视为压弯构件是符合实际情况的。图 为轴压比对墙中最大水平位移的影响。由图 可知，当轴压比从增加到 时，墙体的刚度逐渐增大，墙体的抗冲击性能随之增强，墙中最大水平位移逐渐减小。与轴压比为时的人防墙最大水平位移相比，当轴压比为 时，冲击能量为 的人防墙最大水平位移减小了 ；冲击能量为 的人防墙最大水平位移减小了 ；冲击能量为 的人防墙最大水平位移减小了 。随着轴压比的增大，冲击能量较大的人防墙其最大水平位移减小的幅度更大。当轴压比从 增加到 时，人防墙的最大水平位移仍随着墙体刚度的增大而减小，但此时墙体刚度的增大对最大水平位移的影响较小。抗弯承载力人防墙在冲击荷载作用下的整体破坏形态一般表现为受弯变形，故提高墙体的抗弯承载力是增强人防墙的抗冲击性能的有效途径。人防墙通常为压弯构件，但计算时可不考虑竖向轴力的影响，按纯弯构件计算偏于安全。人防墙的抗弯承载力与混凝土抗压强度、钢筋屈服强度、配筋率和墙厚相关，故可改变墙 的这些参数，在冲击能量为 ，边界约束为上下简支左右固支，轴压比为的条件下，分别对表中相应的有限元模型墙（），（），（）和（）进行模拟，从而研究不同混凝土抗压强度、钢筋屈服强度、配筋率和墙厚对人防墙抗冲击性能的影响。由图 可知，墙厚对墙中最大水平位移的影响最大，混凝土抗压强度次之，钢筋屈服强度和配筋率的影响较小。这是因为人防墙主要由混凝土吸收冲击能量，由图 可知，混凝土的材料内能消耗明显大于钢筋的材料内能，故提高混凝土抗压强度或增大墙厚能显著提高人防墙的抗冲击性能，而提高钢筋屈服强度或配筋率对人防墙抗冲击性能的影响较小。图 不同参数下墙中最大水平位移时程曲线青 岛理工大学学报第 卷人防墙最大位移经验公式探讨 等和 等提出了简支梁在落锤冲击作用下非弹性变形的最大挠度经验公式：（）式中：为落锤冲击作用下梁的最大挠度；为试验拟合系数；为落锤冲击的动能；为梁的静力承载力。等经 试 验 拟 合