内部爆炸作用下钢筋混凝土框架结构动态响应数值模拟

齐宝欣; 刘师琦; 张海霞; 阎石; 范书立

doi:10.3724/j.gyjzG24042901

内部爆炸作用下钢筋混凝土框架结构动态响应数值模拟

doi: 10.3724/j.gyjzG24042901

1. 沈阳建筑大学土木工程学院, 沈阳 110168;
2. 海岸和近海工程国家重点实验室, 辽宁大连 116024

基金项目:

国家自然科学基金项目（52278196）；海岸与近海工程国家重点实验室开放基金项目（LP1817）。

详细信息

作者简介:
齐宝欣,博士,副教授,主要从事建筑结构抗爆性能分析方面的研究。Email:bxqi@sjzu.edu.cn

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出版历程
- 收稿日期: 2024-04-29
- 网络出版日期: 2026-06-06
- 刊出日期: 2026-04-20

Numerical Simulation of Dynamic Response of RC Frame Structures Under Internal Explosion Loads

1. Shool of Civil Engineering, Shenyang Jianzhu University, Shenyang 110168, China;
2. State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering, Dalian 116024, China

摘要

摘要: 为研究室内爆炸作用下钢筋混凝土框架结构的动态响应，通过数值模拟方法，探究了室内爆炸钢筋混凝土板和梁柱节点的破坏模式。基于已有的钢筋混凝土框架结构在内部爆炸荷载作用下的试验数据，利用有限元软件ANSYS/LS-DYNA建立一个分离式的单层单跨钢筋混凝土缩尺三维有限元模型，考虑炸药爆炸冲击波在空气域传递与结构的流固耦合作用和应变率参数对材料本构模型的影响规律，模拟200 g炸药在框架内部中心区域爆炸的情况。模拟结果与试验结果吻合良好，验证了模型选用材料和参数设置的正确性。此外，还分析了板和梁的破坏失效过程，整体来看，破坏主要发生在板梁交界处和梁柱交界处。采用控制变量法研究了混凝土强度等级以及板和梁配筋方式等参数对钢筋混凝土框架结构抗爆性能的影响。研究结果表明：提高混凝土强度等级可以提高结构的抗爆性能。然而，一定程度上提高混凝土强度等级后，进一步提升并不会有显著意义；采用双层双向配筋可以稍微减少顶板的竖向位移和混凝土开裂；增加钢筋直径可以显著减少顶板位移，但会增加混凝土开裂；适当缩短板内钢筋伸入梁内的长度可提高顶板的抗爆性能；在提高框架梁的抗爆性能时，应首先考虑采用梁内纵筋加粗的配筋方式，其次在破坏严重区域设置加密箍筋；增加钢筋混凝土框架内部配筋直径可以提高整体抗爆性能。
- 钢筋混凝土框架结构 /
- 爆炸荷载 /
- 动态响应 /
- 流固耦合 /
- 破坏模式
Abstract: To investigate the dynamic response of reinforced concrete frame structures under indoor explosion conditions， the study explored the failure modes of reinforced concrete slabs and beam-column joints through numerical simulation methods. Based on existing experimental data of reinforced concrete frame structures under internal explosion loads， a segregated single-layer single-span reduced-scale three-dimensional finite element model was established using the finite element software ANSYS/LS-DYNA. This study considered the shock wave propagation of explosive charge in the air domain， the fluid-structure coupling effect， and the influence of strain rate parameters on the material constitutive model. The simulation modeled the explosion of a 200 g explosive charge in the central area of the frame. The simulated results were in good agreement with the experimental results， validating the correctness of the material and parameter settings in the model. Additionally， the failure processes of the slabs and beams were analyzed， and overall， failure predominantly occurred at the junctions of the slab-beam and beam-column. By applying a controlled variable method， this study investigated the influence of parameters such as concrete strength grade and slab and beam reinforcement methods on the blast resistance of reinforced concrete frame structures. The results indicated that increasing the concrete strength grade enhanced the structure's blast resistance. However， after a certain degree of increase in concrete strength grade， further increments did not yield significant improvements. Using double-layer bidirectional reinforcement slightly reduced vertical displacement and concrete cracking in the top slab. Increasing the rebar diameter significantly reduced slab displacement but might increase concrete cracking. Properly shortening the length of rebars extending from the slab into the beam enhanced the blast resistance of the slab. To improve the blast resistance of frame beams， the method of increasing the diameter of longitudinal reinforcement inside the beam should be considered first， followed by the application of enhanced hoop reinforcement in heavily damaged areas. Increasing the diameter of the internal reinforcement of the reinforced concrete frame can improve overall blast resistance.
- reinforced concrete frame structure /
- blast loading /
- dynamic response /
- fluid-structure coupling /
- failure mode

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参考文献(29)

[1]	TURGUT P，GUREL M A，PEKGOKGOZ R K. LPG explosion damage of a reinforced concrete building：a case study in Sanliurfa，Turkey［J］. Engineering Failure Analysis，2013，32：220-235.
[2]	CARTA G，STOCHINO F. Theoretical models to predict the flexural failure of reinforced concrete beams under blast loads［J］. Engineering Structures，2013，49：306-315.
[3]	ASTARLIOGLU S，KRAUTHAMMER T. Response of normal-strength and ultra-high-performance fiber-reinforced concrete columns to idealized blast loads［J］. Engineering Structures，2014，61：1-12.
[4]	KWON H，TAK K，MAKEN S，et al. Analysis of air blast effect for explosives in a large scale detonation［J］. Korean Journal of Chemical Engineering，2017，34（12）：3048-3053.
[5]	方秦，杨石刚，陈力，等. 天津港“8·12”特大火灾爆炸事故建筑物和人员损伤破坏情况及其爆炸威力分析［J］. 土木工程学报，2017，50（3）：12-18.
[6]	高超，宗周红，伍俊. 爆炸荷载下钢筋混凝土框架结构倒塌破坏试验研究［J］. 土木工程学报，2013，46（7）：9-20.
[7]	齐宝欣，阎石，武行. 建筑结构抗爆设防性能目标研究［J］. 爆破，2018，35（3）：135-140.
[8]	师燕超，刘少增，崔健，等. 爆炸灾后建筑结构性能评价及修复加固研究进展［J］. 土木与环境工程学报（中英文），2023，45（1）：1-13.
[9]	柳锦春，方秦，龚自明，等. 爆炸荷载作用下钢筋混凝土梁的动力响应及破坏形态分析［J］. 爆炸与冲击，2003（1）：25-30.
[10]	魏雪英，白国良. 爆炸荷载下钢筋混凝土柱的动力响应及破坏形态分析［J］. 解放军理工大学学报（自然科学版），2007（5）：525-529.
[11]	师燕超，李忠献. 爆炸荷载作用下钢筋混凝土柱的动力响应与破坏模式［J］. 建筑结构学报，2008，29（4）：112-117.
[12]	JAYASOORIYA R，THAMBIRATNAM D P，PERERA N J，et al. Blast and residual capacity analysis of reinforced concrete framed buildings［J］. Engineering Structures，2011，33（12）：3483-3495.
[13]	姚宇飞，师燕超，李忠献. 爆炸荷载下钢筋混凝土框架结构连续倒塌分析方法比较［J］. 建筑科学与工程学报，2015，32（1）：64-72.
[14]	HONG J，FANG Q，CHEN L，et al. Numerical predictions of concrete slabs under contact explosion by modified K & C material model［J］. Construction and Building Materials，2017，155：1013-1024.
[15]	何庆锋，周超，易伟建. 爆炸移除钢筋混凝土框架柱抗倒塌性能数值模拟［J］. 湖南大学学报（自然科学版），2016，43（11）：61-67.
[16]	TOY A T，SEVIM B. Numerically and empirically determination of blasting response of a RC retaining wall under TNT explosive［J］. Advances in Concrete Construction，2017，5（5）：493.
[17]	GHOLIPOUR G，ZHANG C，MOUSAVI A A. Loading rate effects on the responses of simply supported RC beams subjected to the combination of impact and blast loads［J］. Engineering Structures，2019，201：109837.
[18]	SEVIM B，TOY A T. Blasting response of a two-storey RC building under different charge weight of TNT explosives［J］. Iranian Journal of Science and Technology，Transactions of Civil Engineering，2020，44：565-577.
[19]	刘彤，朱晓伟，贾彬，等. 钢筋混凝土框架结构内部爆炸毁伤效应试验研究［C］// 第六届全国强动载效应及防护学术会议暨2014年复杂介质/结构的动态力学行为创新研究群体学术研讨会论文集. 北京：2014：67-73.
[20]	朱晓伟. 钢筋混凝土框架结构内部爆炸效应研究［D］. 成都：西南科技大学，2015.
[21]	田力，胡杨. 汽车撞击和爆炸共同作用下钢筋混凝土柱的动力响应与破坏模式［J］. 建筑科学与工程学报，2017，34（1）：41-48.
[22]	LI S，LI X，WANG Z，et al. Finite element analysis of sandwich panels with stepwise graded aluminum honeycomb cores under blast loading［J］. Composites Part A：Applied Science and Manufacturing，2016，80：1-12.
[23]	杨光，张博一，韦建树，等. 聚脲喷涂钢制罐体抗爆性能试验及数值模拟研究［J］. 土木与环境工程学报（中英文），2023，45（1）：44-53.
[24]	高矗，孔祥振，方秦，等. 混凝土中爆炸应力波衰减规律的数值模拟研究［J］. 爆炸与冲击，2022，42（12）：68-80.
[25]	胡志乐，马亮亮，吴昊，等. 远距离近地面爆炸空气冲击波计算的网格尺寸优化与验证［J］. 爆炸与冲击，2022，42（11）：118-132.
[26]	LI J，HAO H. Numerical study of structural progressive collapse using substructure technique［J］. Engineering Structures，2013，52：101-113.
[27]	何庆锋，刘义仁，蒋曲翀，等. 锤击作用下钢筋混凝土框架倒塌性能试验研究［J］. 湖南大学学报（自然科学版），2015，42（1）：40-46.
[28]	赵春风，何凯城，卢欣，等. 弧形双钢板混凝土组合板抗爆性能数值研究［J］. 爆炸与冲击，2022，42（2）：140-153.
[29]	陈德，吴昊，方秦. 爆炸荷载作用下单向砌体填充墙动态响应计算方法［J］. 建筑结构学报，2023，44（10）：197-210.