汽車撞擊下鋼筋混凝土框架的動(dòng)態(tài)響應(yīng)與破壞模式研究

田力　胡國(guó)輝

摘要：為了研究汽車撞擊下鋼筋混凝土整體框架結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、損傷機(jī)理及破壞模式，運(yùn)用顯式動(dòng)力分析軟件ANSYS/LSDYNA建立6層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)模型，并對(duì)不同車速撞擊下汽車與鋼筋混凝土框架角柱和邊中柱的破壞過(guò)程進(jìn)行仿真模擬。結(jié)果表明：汽車撞擊角柱和邊中柱的損傷破壞過(guò)程相同；最大碰撞力與撞擊速度呈線性關(guān)系；中國(guó)規(guī)范對(duì)汽車等效碰撞力的取值偏于不安全；在汽車的撞擊作用下，被撞柱柱底發(fā)生彎剪破壞，柱頂發(fā)生剪切破壞，結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)反應(yīng)具有局部性，只與被撞柱及周圍相鄰的構(gòu)件有關(guān)。

關(guān)鍵詞：汽車撞擊；鋼筋混凝土框架；損傷機(jī)理；破壞模式；線性關(guān)系

中圖分類號(hào)：TU375.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract： In order to study the dynamic response， damage mechanism and failure mode of reinforced concrete （RC） frame， explicit dynamic analysis software ANSYS/LSDYNA was used to build a model structure of sixstory reinforced concrete frame， then the damage processes of corner column and side column of the reinforced concrete frame under vehicle impact with different speeds were simulated. The results show that the failure process of corner column is same with the failure process of side column under vehicle impact. The relationship of maximum impact force and impact velocity is linear. Equivalent value of the car collision force in Chinese specification is unsafe. Under vehicle impact，the bending shear failure occurs at the bottom of the column， and the shear failure occurs at the top of the column；the dynamic response of the structure has limitations， and it is only related with the collision column and the surrounding adjacent members.

Key words： vehicle impact； reinforced concrete frame； damage mechanism； failure mode； linear relationship

0引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，機(jī)動(dòng)車輛越來(lái)越多，大量建筑物也逐漸興建起來(lái)，鄰近路邊的建筑物越來(lái)越密集，室內(nèi)室外停車場(chǎng)所隨處可見(jiàn)，汽車與建筑物之間的碰撞越來(lái)越多，并且往往會(huì)造成嚴(yán)重的后果，因此對(duì)建筑物遭受汽車撞擊的研究非常有必要。在汽車撞擊建筑結(jié)構(gòu)的過(guò)程中，人們往往只關(guān)注發(fā)生很大破損、危及乘客和行人安全的汽車安全性能研究[12]，卻忽視了遭受汽車撞擊的建筑物的損傷破壞，結(jié)構(gòu)遭受側(cè)向撞擊產(chǎn)生的損傷破壞會(huì)隨著時(shí)間的推移越來(lái)越嚴(yán)重，最終發(fā)生難以挽救的后果。

在撞擊研究方面，橋梁遭受船舶撞擊的研究是比較成熟的[34]，汽車撞擊研究主要集中在汽車撞擊路橋護(hù)欄[5]、高架橋橋墩[67]和單根柱[8]的研究上，做理論分析時(shí)也大多簡(jiǎn)化為雙自由度的質(zhì)量彈簧模型[910]；另外，陸新征等[11]對(duì)超高車輛撞擊橋梁上部結(jié)構(gòu)的研究已經(jīng)比較完善；對(duì)于整體建筑結(jié)構(gòu)遭受汽車撞擊的研究基本處于空白狀態(tài)，研究甚少?；诖?，本文運(yùn)用顯式動(dòng)力分析軟件ANSYS/LSDYNA對(duì)汽車與鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的碰撞過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值仿真。首先，根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[12]，利用1棟實(shí)際建筑結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)建立了6層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的多尺度有限元模型；然后，研究了鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的角柱和邊中柱在同一重型汽車、不同撞擊速度（20，50，80 km·h-1）下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、損傷機(jī)理及破壞模式；最后，與相關(guān)的規(guī)范、規(guī)則進(jìn)行比較分析。

本文研究?jī)?nèi)容既對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的抗撞性能分析和耐撞性設(shè)計(jì)具有重要的參考意義，也對(duì)建筑物遭受汽車撞擊后的修補(bǔ)和加固具有技術(shù)方面的指導(dǎo)意義。

1模型簡(jiǎn)介

1.1汽車有限元模型

世界上汽車制造行業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家都有新車撞擊試驗(yàn)項(xiàng)目及其承受能力的規(guī)定，通過(guò)撞擊試驗(yàn)檢驗(yàn)新車是否符合規(guī)范是必不可少的環(huán)節(jié)。美國(guó)國(guó)家碰撞分析中心（National Crash Analysis Center，NCAC）是美國(guó)聯(lián)邦高速公路管理局（FHWA）、美國(guó)交通安全管理局（NHTSA）和喬治華盛頓大學(xué)（GW）共同創(chuàng)辦的一個(gè)機(jī)構(gòu)，具有世界上最大最全的汽車碰撞試驗(yàn)和汽車安全報(bào)告的數(shù)據(jù)庫(kù)，并且研究人員及大眾都可免費(fèi)獲得這些信息。本文所采用的重型汽車有限元模型77kN Ford Truck是來(lái)自NCAC網(wǎng)站上的公開免費(fèi)模型，此模型也是ANSYS/LSDYNA能識(shí)別計(jì)算的K文件，汽車有限元模型如圖1所示。

1.2鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)有限元模型

由于側(cè)向撞擊作用具有持續(xù)時(shí)間短、碰撞力大的特點(diǎn)，作用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)快速破壞，但破壞范圍基本限制為被撞柱及其相鄰構(gòu)件，最終可能會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的局部倒塌?；诖?，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)采用大型通用分析軟件ANSYS/LSDYNA建立多尺度模型[1314]，包括碰撞直接相關(guān)區(qū)、碰撞間接相關(guān)區(qū)和碰撞無(wú)關(guān)區(qū)。