双钢板混凝土组合板抗爆性能分析

赵春风 何凯城 卢欣 潘蓉 王静峰 李晓杰

赵春风, 何凯城, 卢欣, 潘蓉, 王静峰, 李晓杰. 双钢板混凝土组合板抗爆性能分析[J]. 爆炸与冲击, 2021, 41(9): 095102. doi: 10.11883/bzycj-2020-0291
引用本文: 赵春风, 何凯城, 卢欣, 潘蓉, 王静峰, 李晓杰. 双钢板混凝土组合板抗爆性能分析[J]. 爆炸与冲击, 2021, 41(9): 095102. doi: 10.11883/bzycj-2020-0291
ZHAO Chunfeng, HE Kaicheng, LU Xin, PAN Rong, WANG Jingfeng, LI Xiaojie. Analysis on the blast resistance of steel concrete composite slab[J]. Explosion And Shock Waves, 2021, 41(9): 095102. doi: 10.11883/bzycj-2020-0291
Citation: ZHAO Chunfeng, HE Kaicheng, LU Xin, PAN Rong, WANG Jingfeng, LI Xiaojie. Analysis on the blast resistance of steel concrete composite slab[J]. Explosion And Shock Waves, 2021, 41(9): 095102. doi: 10.11883/bzycj-2020-0291

双钢板混凝土组合板抗爆性能分析

doi: 10.11883/bzycj-2020-0291
基金项目: 安徽省自然科学基金(2008085UD12);工业装备与分析国家重点实验室基金(GZ19106)
详细信息
    作者简介:

    赵春风(1983- ),男,博士,副教授,zhaowindy@hfut.edu.cn

  • 中图分类号: O383

Analysis on the blast resistance of steel concrete composite slab

  • 摘要: 钢-混凝土-钢组合板是一种新型的组合结构,与传统钢筋混凝土板相比,具有抗剪强度高、延性大、耗能能力强等特点,目前已经被广泛应用于核反应堆安全壳、海洋平台及储油罐等结构。本文中,设计并制作了缩尺的普通钢筋混凝土板和钢-混凝土-钢组合板,开展了在接触爆炸荷载作用下的实验研究,通过损伤分析、跨中最大挠度对比研究不同板的抗爆性能。基于ANSYS/LS-DYNA非线性有限元程序,研究了钢-混凝土-钢组合板的损伤模式、跨中最大挠度等,并与实验结果进行了对比分析,验证了有限元分析模型的准确性和适用性。参数化分析了炸药量、混凝土强度和钢板厚度等参数对钢-混凝土-钢组合板抗爆性能的影响规律。利用多参数回归分析方法,提出钢-混凝土-钢组合板跨中挠度的预测公式。结果表明:提高混凝土强度可以降低结构的塑性损伤, 增加钢板厚度可以有效降低钢-混凝土-钢组合板的跨中最大挠度。相对于普通钢筋混凝土板,钢-混凝土-钢组合板保持了良好的整体性,且具有继续承载的能力。拟合公式能够较好地预测钢-混凝土-钢组合板跨中挠度与药量和钢板厚度的关系。
  • 图  1  RCS的几何尺寸及配筋方式

    Figure  1.  Dimensions of RCS and reinforcement layout

    图  2  SCS的几何尺寸和结构形式

    Figure  2.  Dimensions and structural style of SCS

    图  3  实验装置

    Figure  3.  Experimental setup

    图  4  测点布置

    Figure  4.  Arrangement of measure points

    图  5  数值模拟模型

    Figure  5.  Numerical model

    图  6  收敛性分析

    Figure  6.  Convergence analysis

    图  7  RCS试件破坏的实验结果

    Figure  7.  Experimental results of RCS damage

    图  8  RCS试件破坏的实验和数值模拟结果

    Figure  8.  Experimental and numerical results of RCS damages

    图  9  RCS试件钢筋变形的实验和数值模拟结果

    Figure  9.  Experimental and numerical results of RCS’s rebar deformation

    图  10  RCS试件钢筋的最大挠度

    Figure  10.  Maximum deflection of RCS’s rebar

    图  11  RCS试件测点的位移曲线

    Figure  11.  Displacement curves of RCS

    图  12  RCS试件测点的加速度曲线

    Figure  12.  Acceleration curves of RCS

    图  13  SCS试件破坏的实验结果

    Figure  13.  Experimental results of SCS damage

    图  14  SCS试件的栓钉拔出

    Figure  14.  Studs pull out of SCS

    图  15  SCS试件钢板的跨中挠度

    Figure  15.  Deflection in midspan of SCS’s steel plate

    图  16  SCS试件破坏的实验和数值模拟结果

    Figure  16.  Experimental and numerical results of SCS damages

    图  17  SCS试件核心混凝土的数值模拟结果

    Figure  17.  Numerical results of SCS’s concrete core

    图  18  SCS试件测点的位移曲线

    Figure  18.  Displacement curves of SCS

    图  19  SCS试件测点的加速度曲线

    Figure  19.  Acceleration curves of SCS

    图  20  不同炸药量时SCS中混凝土的有效塑性应变

    Figure  20.  Effective plastic strains of concrete in SCS with different explosive charges

    图  21  不同炸药量时SCS的跨中位移曲线

    Figure  21.  Mid-span displacement curves of SCS with different explosive charges

    图  22  不同炸药量时SCS的跨中最大位移

    Figure  22.  Maximum displacements of SCS with different explosive charges

    图  23  不同混凝土强度时SCS混凝土的有效塑性应变

    Figure  23.  Effective plastic strains of concrete in SCS with different concrete strengths

    图  24  不同混凝土时SCS的跨中位移曲线

    Figure  24.  Mid-span displacement curves of SCS with different concrete strengths

    图  25  不同混凝土时SCS的跨中最大位移

    Figure  25.  Maximum displacement of SCS with different concrete strengths

    图  26  不同钢板厚度时SCS混凝土的有效塑性应变

    Figure  26.  Effective plastic strains of concrete in SCS with different thickness of steel plate

    图  27  不同钢板厚度时SCS的跨中位移曲线

    Figure  27.  Mid-span displacement curves of SCS with different thicknesses of steel plates

    图  28  不同钢板厚度时SCS的跨中最大位移

    Figure  28.  Maximum displacements of SCS with different thicknesses of steel plates

    图  29  SCS跨中挠度与炸药量、钢板厚度的关系

    Figure  29.  Mid-span deflections of SCS versus explosive charges and thicknesses of steel plates

    表  1  材料力学性能参数

    Table  1.   Mechanical properties of materials

    材料型号弹性模量/GPa抗压强度/MPa屈服强度/MPa抗拉强度/MPa
    混凝土C30 3030
    钢筋HRB335200341472
    钢板Q235200235370
    焊钉A2-50200210500
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    表  2  试件的损伤和挠度

    Table  2.   Damages and deflections of specimens

    试件迎爆面爆坑尺寸/mm背爆面爆坑尺寸/mm实验跨中挠度/mm数值跨中挠度/mm是否发生贯穿破坏整体性是否能继续承载
    RCS360×300410×4005046.2一般
    SCS280×1803527.4
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    表  3  混凝土-钢-混凝土组合板跨中挠度经验公式拟合结果

    Table  3.   Fitting results of empirical formula for mid-span deflection of SCS

    炸药量w/g钢板厚度t/mm实际挠度$ {\gamma }_{0} $/mm预测挠度$ \gamma $/mm误差/%
    1003.010.9010.623 142.54
    1503.012.0813.136 228.74
    2003.014.8813.372 4810.13
    2503.015.0516.003 816.34
    3003.027.1526.762 191.43
    3002.032.6232.594 100.08
    3002.529.1329.235 850.36
    3003.524.7624.870 360.45
    3004.023.3123.281 850.12
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  • [1] 王威, 张龙旭, 苏三庆, 等. 波形钢板剪力墙抗震性能试验研究 [J]. 建筑结构学报, 2018, 39(5): 36–44. DOI: 10.14006/j.jzjgxb.2018.05.005.

    WANG W, ZHANG L X, SU S Q, et al. Experimental research on seismic behavior of corrugated steel plate shear wall [J]. Journal of Building Structures, 2018, 39(5): 36–44. DOI: 10.14006/j.jzjgxb.2018.05.005.
    [2] 聂建国, 樊健生, 黄远, 等. 钢板剪力墙的试验研究 [J]. 建筑结构学报, 2010, 31(9): 1–8. DOI: 10.14006/j.jzjgxb.2010.09.015.

    NIE J G, FAN J S, HUANG Y, et al. Experimental research on steel plate shear wall [J]. Journal of Building Structures, 2010, 31(9): 1–8. DOI: 10.14006/j.jzjgxb.2010.09.015.
    [3] ZHAO C F, LU X, WANG Q, et al. Experimental and numerical investigation of steel-concrete (SC) slabs under contact blast loading [J]. Engineering Structures, 2019, 196: 109337. DOI: 10.1016/j.engstruct.2019.109337.
    [4] ZHAO C F, WANG Q, LU X, et al. Blast resistance of small-scale RCS in experimental test and numerical analysis [J]. Engineering Structures, 2019, 199: 109610. DOI: 10.1016/j.engstruct.2019.109610.
    [5] SOHEL K M A, LIEW J Y R. Behavior of steel-concrete-steel sandwich slabs subject to impact load [J]. Journal of Constructional Steel Research, 2014, 100: 163–175. DOI: 10.1016/j.jcsr.2014.04.018.
    [6] LIEW J Y R, WANG T Y. Novel steel-concrete-steel sandwich composite plates subject to impact and blast load [J]. Advances in Structural Engineering, 2011, 14(4): 673–687. DOI: 10.1260/1369-4332.14.4.673.
    [7] ZHAO C F, CHEN J Y. Damage mechanism and mode of square reinforced concrete slab subjected to blast loading [J]. Theoretical and Applied Fracture Mechanics, 2013, 63: 54–62. DOI: 10.1016/j.tafmec.2013.03.006.
    [8] ZHAO C F, WANG Q, LU X, et al. Numerical study on dynamic behaviors of NRC slabs in containment dome subjected to close-in blast loading [J]. Thin-Walled Structures, 2019, 135: 269–284. DOI: 10.1016/j.tws.2018.11.013.
    [9] 赵春风, 王强, 王静峰, 等. 近场爆炸作用下核电厂安全壳穹顶钢筋混凝土板的抗爆性能 [J]. 高压物理学报, 2019, 33(2): 025101. DOI: 10.11858/gywlxb.20180598.

    ZHAO C F, WANG Q, WANG J F, et al. Blast resistance of containment dome reinforced concrete slab in NPP under close-in explosion [J]. Chinese Journal of High Pressure Physics, 2019, 33(2): 025101. DOI: 10.11858/gywlxb.20180598.
    [10] 赵春风, 卢欣, 何凯城, 等. 单钢板混凝土剪力墙抗爆性能研究 [J]. 爆炸与冲击, 2020, 40(12): 121403. DOI: 10.11883/bzycj-2020-0058.

    ZHAO C F, LU X, HE K C, et al. Blast resistance property of concrete shear wall with single-side steel plate [J]. Explosion and Shock Waves, 2020, 40(12): 121403. DOI: 10.11883/bzycj-2020-0058.
    [11] 汪维, 杨建超, 汪剑辉, 等. POZD涂层方形钢筋混凝土板抗接触爆炸试验研究 [J]. 爆炸与冲击, 2020, 40(12): 121402. DOI: 10.11883/bzycj-2020-0180.

    WANG W, YANG J C, WANG J H, et al. Experimental research on anti-contact explosion of POZD coated square reinforced concrete slab [J]. Explosion and Shock Waves, 2020, 40(12): 121402. DOI: 10.11883/bzycj-2020-0180.
    [12] YAN C, WANG Y H, ZHAI X M, et al. Low velocity impact performance of curved steel-concrete-steel sandwich shells with bolt connectors [J]. Thin-Walled Structures, 2020, 150: 106672. DOI: 10.1016/j.tws.2020.106672.
    [13] 中华人民共和国住房和城乡建设部. 钢板剪力墙技术规程: JGJ/T 380–2015 [S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2016.
    [14] HALLQUIST J O. LS-DYNA keyword user’s manual [Z]. Livermore: Livermore Software Technology Corporation, 2007.
    [15] MALVAR L J, CRAWFORD J E, MORILL K B. K&C concrete material model release Ⅲ: automated generation of material model input: Technical Report TR-99-24.3 [R]. Glendale: Karagozian and Case Structural Engineers, 2000.
    [16] BISCHOFF P H, PERRY S H. Compressive behaviour of concrete at high strain rates [J]. Materials and Structures, 1991, 24(6): 425–450. DOI: 10.1007/BF02472016.
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-08-24
  • 修回日期:  2020-12-30
  • 网络出版日期:  2021-08-20
  • 刊出日期:  2021-09-14

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