爆炸沖擊荷載作用下鋼框架節(jié)點性能研究

譚繼可

（長江大學(xué) 城市建設(shè)學(xué)院，湖北 荊州 434023）

0 引言

爆炸沖擊荷載對結(jié)構(gòu)的效應(yīng)屬于動力學(xué)問題，在現(xiàn)實生活中十分常見［1］。汽車的碰撞、瓦斯爆炸、子彈撞擊等都屬于爆炸沖擊現(xiàn)象［2］。震驚中外的“911”事件之后，如何更好地讓建筑物防火防爆引起了全世界的關(guān)注。在民用和工業(yè)建筑中應(yīng)考慮爆炸沖擊荷載的作用，橋梁和防護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計中也要考慮爆炸沖擊荷載的作用，因此，工程領(lǐng)域中應(yīng)十分關(guān)注對結(jié)構(gòu)防爆性能課題的研究［3］。早期對爆炸沖擊荷載作用效應(yīng)的研究主要是滿足軍事上需要，“911”等事件發(fā)生后，越來越多的學(xué)者開始對民用建筑和工業(yè)建筑的防爆性能進(jìn)行研究。國外學(xué)者Liew 和Chen［4］分析了不同大小的爆炸沖擊荷載作用后的鋼框架的動力響應(yīng)，得出了鋼框架破壞時的極限爆炸荷載；Izzuddin 等［5］采用了非線性的分析方法研究爆炸沖擊荷載作用下鋼框架的動力響應(yīng)，也得出了與Liew 和Chen 相近的結(jié)果；北京大學(xué)的王成和武際可［6］對飛機(jī)撞擊世貿(mào)大廈的倒塌過程運用爆炸力學(xué)的基本原理進(jìn)行分析，指出了北塔樓先撞后倒而南塔樓后撞先倒的原因；清華大學(xué)的陸新征和江見鯨［7］利用了LS－DYNA 程序?qū)︼w機(jī)撞擊世貿(mào)大廈導(dǎo)致的倒塌事件進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，并根據(jù)模擬結(jié)果指出了大廈倒塌的主要原因是由于火災(zāi)作用下材料強(qiáng)度的大幅度下降使得結(jié)構(gòu)構(gòu)件無法承受自重而發(fā)生倒塌。導(dǎo)致爆炸事故的隱患問題很嚴(yán)重，減少重大、特別重大爆炸事故的發(fā)生，對國民生活的安全具有重要意義［8－9］。節(jié)點是框架結(jié)構(gòu)的重要組成部分，因此對節(jié)點在爆炸沖擊荷載作用下性能的研究對整體結(jié)構(gòu)的防爆性能分析具有重要的參考價值。

1 模型尺寸及相關(guān)參數(shù)

為研究爆炸沖擊荷載作用下的鋼框架節(jié)點力學(xué)性能，設(shè)計模型如圖1 所示［10］。本模型為整體式十字鋼框架節(jié)點，其中對柱頂施加的豎向荷載Q1= 100 MPa，梁兩端施加大小相等方向相反的位移荷載Q2= 0. 01 m。鋼材采用彈塑性硬化本構(gòu)模型：屈服應(yīng)力為3. 45e8Pa 時，塑性應(yīng)變?yōu)?；屈服應(yīng)力為4. 5e8Pa 時，塑性應(yīng)變?yōu)?. 1。鋼材彈性模量E=2.1e11Pa，泊松比為0.3。

2 有限元模型的建立

2.1 幾何建模及單元劃分

圖1 鋼框架節(jié)點模型圖

根據(jù)圖1 所示建立有限元模型，并賦予相應(yīng)的材料屬性和單元屬性，鋼框架節(jié)點采用8 節(jié)點三維縮減積分單元C3D8R。對模型進(jìn)行相應(yīng)切割，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分好網(wǎng)格的有限元模型如圖2 所示。

圖2 有限元模型

2.2 荷載及邊界條件

根據(jù)圖1 所示有限元模型施加相應(yīng)荷載和邊界條件，柱底施加鉸接約束（U1=U2=U3= 0），對框架柱頂端施加相應(yīng)約束來限制柱頂側(cè)向位移（U1=U2=UR2=UR3= 0）；然后在柱頂施加豎向荷載Q1= 100 MPa，最后在梁兩端200 mm 范圍內(nèi)施加大小為Q2= 0. 01 m 方向相反的位移荷載。施加相應(yīng)邊界條件和荷載后的有限元模型如圖2所示，梁端加載曲線如圖3 所示。

圖3 梁端荷載加載曲線

3 爆炸沖擊荷載作用下節(jié)點響應(yīng)分析

為研究爆炸沖擊荷載作用下節(jié)點的響應(yīng)，在鋼框架節(jié)點右側(cè)梁端200 mm 范圍內(nèi)施加如圖4所示時間函數(shù)的壓力的爆炸荷載［11］。圖5 為右側(cè)梁端部節(jié)點在不同爆炸荷載P 作用下的位移時程曲線，從圖中曲線可以看出，隨著爆炸荷載的施加，鋼框架梁開始產(chǎn)生變形，梁端最大位移幅值發(fā)生在爆炸荷載達(dá)到最大值之后；隨著爆炸壓力荷載P 的增加，梁端的最大位移也隨著增加，出現(xiàn)位移最大值的時間也在向后推移，當(dāng)爆炸荷載降至0 時，框架梁的振動仍然在持續(xù)。當(dāng)爆炸沖擊荷載不是很大時，結(jié)構(gòu)構(gòu)件也產(chǎn)生了較大的變形；爆炸沖擊荷載增加到一定程度時，對結(jié)構(gòu)物可以產(chǎn)生很嚴(yán)重的破壞后果，可以使爆炸沖擊荷載周圍的構(gòu)件出現(xiàn)較大的變形而出現(xiàn)破壞，甚至整體性倒塌。在實際的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，應(yīng)充分考慮爆炸沖擊荷載對建筑物結(jié)構(gòu)的破壞，采用必要的構(gòu)造措施，來提高結(jié)構(gòu)的整體延性，增強(qiáng)耗能能力，可以較好地減少爆炸作用帶來的損失。當(dāng)建筑物采取相應(yīng)的構(gòu)造措施來提高結(jié)構(gòu)的延性時，此時總體造價僅僅只增加1% ～2%，而由爆炸引起的經(jīng)濟(jì)損失至少可以減少50%［2］。

圖4 作為時間函數(shù)的壓力荷載

圖5 爆炸沖擊荷載作用下節(jié)點端部位移反應(yīng)譜曲線

3.1 鋼材強(qiáng)度與位移反應(yīng)譜之間的關(guān)系

為研究在爆炸沖擊荷載作用下，鋼材強(qiáng)度不同對節(jié)點位移反應(yīng)譜的影響，采用了如下3種鋼材彈塑性硬化本構(gòu)模型。鋼材A：應(yīng)力為2. 45e8Pa時，塑性應(yīng)變?yōu)?；應(yīng)力為3. 5e8Pa 時，塑性應(yīng)變?yōu)?.1。鋼材B：應(yīng)力為3.45e8Pa 時，塑性應(yīng)變?yōu)?；應(yīng)力為4.5e8Pa時，塑性應(yīng)變?yōu)?.1。鋼材C：應(yīng)力為4.45e8Pa 時，塑性應(yīng)變?yōu)?；應(yīng)力為5.5e8Pa時，塑性應(yīng)變?yōu)?. 1。經(jīng)分析得出如圖6 所示的不同鋼材強(qiáng)度的位移反應(yīng)譜曲線。從圖中可以看出隨著鋼材強(qiáng)度的增加，其位移幅值變小，達(dá)到位移最大值的時間也越小，因此，可以得出在一定的條件下，增加鋼材的強(qiáng)度可以減少爆炸沖擊荷載作用對結(jié)構(gòu)的破壞程度。

圖6 不同鋼材強(qiáng)度的位移反應(yīng)譜曲線

3.2 鋼材彈性模量與位移反應(yīng)譜之間的關(guān)系

為研究在爆炸沖擊荷載作用下，鋼材彈性模量不同對節(jié)點位移反應(yīng)譜的影響，分別研究了E1= 1. 1e11Pa、E2= 2. 1e11Pa 和E3= 3. 1e11Pa 3 種彈性模量的鋼材，并保證其他參數(shù)不變，繪制如圖7 所示響應(yīng)曲線。從圖7 中可以看出，在鋼材強(qiáng)度一定的情況下，鋼材的彈性模量越大，位移曲線的幅值也就越小，其振動周期越小，振動頻率也就越大。因此，實際工程中，在滿足延性要求的條件下，適當(dāng)選擇彈性模量較大的鋼材，可以較好地減少爆炸沖擊荷載作用下構(gòu)件由于變形較大引起的結(jié)構(gòu)破壞。

圖7 不同鋼材彈性模量的位移反應(yīng)譜曲線

4 爆炸沖擊荷載作用對鋼框架滯回特性的影響

為研究鋼框架節(jié)點在爆炸沖擊荷載作用后的低周反復(fù)荷載下的性能，采用位移加載方式，在梁兩端加載大小為Q2=0.01 m 但方向相反的位移荷載，梁端低周反復(fù)荷載加載曲線如圖3 所示［10］。本研究較好地利用了ABAQUS 不同分析類型之間的數(shù)據(jù)傳遞功能，通過ABAQUS 顯式和隱式處理器之間的數(shù)據(jù)信息傳遞，可以很好地模擬爆炸沖擊荷載對鋼框架滯回特性的影響。

圖8 鋼框架節(jié)點滯回曲線

圖9 爆炸沖擊荷載作用后節(jié)點滯回曲線

在梁端施加P = 3 Pa 的爆炸荷載進(jìn)行數(shù)值模擬分析，從圖8、圖9 對比分析可以得出，爆炸沖擊荷載作用后的框架節(jié)點，進(jìn)入了塑性屈服階段。梁端低周反復(fù)荷載加載結(jié)構(gòu)顯示其滯回環(huán)所圍面積減少，耗能能力降低，結(jié)構(gòu)延性降低。因此，爆炸沖擊荷載作用，對結(jié)構(gòu)是不利的，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)考慮爆炸沖擊荷載的不利影響，采取相應(yīng)的措施提高結(jié)構(gòu)的延性富余來減少爆炸沖擊荷載作用對結(jié)構(gòu)的破壞。

為了更好地分析不同梁端爆炸荷載作用對框架節(jié)點延性影響程度的規(guī)律，分析了壓力荷載分別為P = 1 Pa、P = 3 Pa 和P = 5 Pa 時，對應(yīng)的鋼框架節(jié)點塑性耗能曲線（圖10）和骨架曲線（圖11）。從鋼框架節(jié)點塑性耗能曲線可以看出，梁端壓力爆炸荷載值越大，節(jié)點塑性耗費也就越大，其具有的耗能能力也就越低，延性也就越低；從鋼框架節(jié)點骨架曲線可以看出，隨著爆炸荷載幅值增加，鋼框架變形能力有所降低，即延性有所降低。因此，從圖10 和圖11 可以得出爆炸荷載壓力的增加可以降低結(jié)構(gòu)的延性，使結(jié)構(gòu)耗能能力減弱。

圖10 鋼框架節(jié)點塑性耗能曲線

圖11 鋼框架節(jié)點骨架曲線

5 結(jié)語

結(jié)合ABAQUS 分析模塊中的Explicit 處理器和Standard 處理器各自的優(yōu)勢，對鋼框架節(jié)點數(shù)值模擬，分析其在爆炸沖擊荷載作用下的位移時程曲線，得出了提高鋼材的強(qiáng)度和彈性模量，可以減少爆炸沖擊荷載對結(jié)構(gòu)的破壞；并利用ABAQUS 中不同分析過程之間數(shù)據(jù)傳遞功能，研究了爆炸沖擊荷載作用對鋼框架節(jié)點滯回性能的影響。爆炸沖擊荷載作用時，對結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生很大的沖擊力，使構(gòu)件產(chǎn)生了較大變形而發(fā)生破壞，對結(jié)構(gòu)是不利的。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)充分考慮爆炸沖擊荷載對結(jié)構(gòu)的不利影響，選用對結(jié)構(gòu)防爆性能有利的材料，并采取相應(yīng)的加強(qiáng)措施提高結(jié)構(gòu)的整體延性來減少爆炸沖擊荷載對結(jié)構(gòu)的破壞程度。爆炸沖擊荷載作用下鋼框架節(jié)點性能的研究對結(jié)構(gòu)防爆設(shè)計有一定的借鑒意義。由于爆炸一般與火災(zāi)結(jié)合在一起，此處只研究了爆炸沖擊荷載對結(jié)構(gòu)影響，如何考慮爆炸沖擊荷載和火共同作用對結(jié)構(gòu)整體性能的影響有待進(jìn)一步研究。

［1］ 李國強(qiáng)，孫建運，王開強(qiáng). 爆炸沖擊荷載作用下框架柱簡化分析模型研究［J］. 振動與沖擊，2007，26（1）：8－9.

［2］ 孫建運. 爆炸沖擊荷載作用下鋼骨混凝土柱性能研究［D］.上海：同濟(jì)大學(xué)，2006.

［3］ 侯延利. 爆炸沖擊荷載作用下鋼筋混凝土柱的動態(tài)響應(yīng)分析［D］.西安：長安大學(xué)，2008.

［4］ Liew J Y R，Chen H. Explosion and fire analysis of steel frames using fiber element approach［J］. Journal of Structural Engineering，2004，130（7）：991－1000.

［5］ Song L，Lzzuddin B A，Elnashai A S，et al. Integrated adaptive environment for fire and explosion analysis of steel frames－Part Ⅰ：analytical models［J］. Journal of Constructional Steel Researeh，2000，53（1）：63－85.

［6］ 王成，武際可.從爆炸力學(xué)的觀點分析世貿(mào)大廈塔樓倒塌的過程［J］.力學(xué)與實踐，2001，23（6）：73－75.

［7］ 陸新征，江見鯨.世界貿(mào)易中心飛機(jī)撞擊后倒塌過程的仿真分析［J］.土木工程學(xué)報，2001，34（6）：8－10.

［8］ 董湘乾. 框架結(jié)構(gòu)在爆炸沖擊作用下的動力響應(yīng)分析研究［D］.長沙：湖南大學(xué)，2010.

［9］ 王新民，潘常甲.工業(yè)爆炸及其應(yīng)用技術(shù)探討［J］.河南理工大學(xué)學(xué)報，2009，28（3）：282－288.

［10］王玉鐲，傅傳國. ABAQUS 結(jié)構(gòu)工程分析及實例詳解［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010：94－111.

［11］莊茁，由小川. 基于ABAQUS 的有限元分析和應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2009：239－251.