薄柔H型鋼柱抗側(cè)向沖擊性能研究

路國(guó)運(yùn)，陳鵬程

(太原理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，太原 030024)

根據(jù)力學(xué)性能的不同，在以截面分類為基礎(chǔ)的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中，不同截面類別的構(gòu)件對(duì)應(yīng)著不同的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則[1-3]。薄柔截面構(gòu)件是指不滿足鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面分類準(zhǔn)則中塑性截面要求的板件組成的大寬厚比截面構(gòu)件。當(dāng)單位長(zhǎng)度質(zhì)量一定時(shí)，相對(duì)于普通截面鋼構(gòu)件，薄柔截面鋼構(gòu)件截面形狀經(jīng)濟(jì)合理，且具有更大的彈性抗彎剛度及屈服彎矩，更滿足鋼結(jié)構(gòu)節(jié)材、節(jié)能和環(huán)境友好的特點(diǎn)。隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化的不斷發(fā)展，近年來(lái)多層鋼結(jié)構(gòu)在國(guó)內(nèi)逐步推廣，H型鋼作為梁柱構(gòu)件的支撐，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性高，適用于承受振動(dòng)和沖擊荷載大的建筑結(jié)構(gòu)，抗自然災(zāi)害能力強(qiáng)，特別適用于一些多地震發(fā)生帶的建筑結(jié)構(gòu)以及橋梁、船舶、起重運(yùn)輸機(jī)械、設(shè)備基礎(chǔ)等[4-5]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在世界上發(fā)生7級(jí)以上毀滅性大地震災(zāi)害中，以H型鋼為主的鋼結(jié)構(gòu)建筑受害程度最小[6]。而薄柔H型鋼由于其輕質(zhì)高強(qiáng)的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于量大面廣的住宅、低多層辦公樓等民用與公共建筑上[7-10]，在國(guó)內(nèi)建筑行業(yè)內(nèi)引起高度關(guān)注。

然而，工程結(jié)構(gòu)在服役期限內(nèi)不可避免地會(huì)遭受意外的爆炸[11]、滾石沖擊[12-13]、車輛碰撞[14-16]等極端沖擊荷載作用，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮這些極端荷載的影響。因此，對(duì)沖擊荷載下結(jié)構(gòu)構(gòu)件的動(dòng)力性能進(jìn)行研究，進(jìn)一步對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理化設(shè)計(jì)，以提高結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌能力就顯得尤為重要。

針對(duì)H型鋼柱抗側(cè)向沖擊研究，AL-THAIRY et al[17]建立了軸向壓力下鋼柱受側(cè)向撞擊的有限元模型并與前人實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了模型的有效性。利用該模型進(jìn)行參數(shù)分析，研究沖擊位置、沖擊質(zhì)量、設(shè)計(jì)軸力對(duì)H型鋼柱破壞失效模式的影響。MAKAREM et al[18]利用新的鋼材本構(gòu)VA[19]建立了軸向壓力下HY-100高強(qiáng)H型鋼柱受側(cè)向撞擊的有限元模型，研究了沖擊速度、沖擊位置、沖擊質(zhì)量及預(yù)加軸力對(duì)高強(qiáng)H型鋼柱局部破壞的影響。WANG et al[20]利用ANSYS/LS-DYNA建立了鋼梁、梁柱連接受橫向沖擊的有限元模型來(lái)模擬鋼梁、梁柱連接受意外沖擊荷載的撞擊，并通過(guò)落錘實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型的有效性。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了6組有限元模擬工況討論沖擊能量、沖擊位置、材料強(qiáng)度、連接板厚度等對(duì)H型鋼梁、梁柱連接抗沖擊性能的影響。

由上可知，關(guān)于H型構(gòu)件抗側(cè)向沖擊研究，其截面形式主要以普通截面為主，但針對(duì)薄柔H型構(gòu)件的抗沖擊性能研究相對(duì)較少。因此，本文對(duì)沖擊荷載作用下薄柔H型鋼構(gòu)件的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行了研究，為薄柔構(gòu)件抵抗沖擊荷載作用及倒塌提供更為合理的設(shè)計(jì)建議，有效提高其在建筑中的應(yīng)用效率，為加速我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展及建設(shè)做出貢獻(xiàn)。

1 有限元模型建立與校核

1.1 模型建立

采用H型截面鋼構(gòu)件在兩個(gè)方向上的尺寸遠(yuǎn)大于第三個(gè)方向，建模時(shí)單元類型選用四節(jié)點(diǎn)減縮積分格式的三維殼單元(S4R)，有限元模型對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行相互校驗(yàn)時(shí)，材料強(qiáng)度取鋼材拉伸實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)值。采用有限元模型進(jìn)行參數(shù)化分析時(shí)，材料模型采用三折線模型，如圖1所示，其中屈服強(qiáng)度取fy=345 MPa，極限強(qiáng)度f(wàn)u=500 MPa，彈性模量E=2.06×105MPa，強(qiáng)化段切線模量取Eh=E/100=2.06×103MPa，泊松比0.3.落錘采用實(shí)體建模，由于沖擊過(guò)程中落錘變形很小，且輕微變形對(duì)計(jì)算結(jié)果影響很小，所以將其約束為剛體，網(wǎng)格采取掃略劃分，單元選取八節(jié)點(diǎn)減縮積分格式的三維實(shí)體單元(C3D8R)。為了保證計(jì)算精度，對(duì)著重分析的關(guān)鍵部位做網(wǎng)格加密處理。

圖1 鋼材材料模型Fig.1 Stress-strain curve of steel used in parametric study

邊界條件為一端固支，一端滑動(dòng)，為了實(shí)現(xiàn)構(gòu)件底端固接的邊界條件，采用動(dòng)態(tài)耦合(Kinematic coupling)將柱底截面的所有節(jié)點(diǎn)耦合在RP-1上，然后約束 RP-1的所有自由度，這樣不但實(shí)現(xiàn)了柱底截面的固接，也保證了大變形后，柱底截面依然能夠保持原截面。在柱頂截面，通過(guò)剛體(Rigid body)將柱頂截面轉(zhuǎn)化成一個(gè)剛面，以防止應(yīng)力集中導(dǎo)致的板件壓潰，然后將柱頂截面所有節(jié)點(diǎn)的自由度賦予RP-2上，約束RP-2除軸向外所有的位移和轉(zhuǎn)角，即實(shí)現(xiàn)了加載端滑動(dòng)的邊界條件。構(gòu)件模型如圖2所示。

圖2 有限元網(wǎng)格模型Fig.2 Mesh of finite element model

由于應(yīng)變率對(duì)鋼材的屈服強(qiáng)度有顯著影響，而C-S本構(gòu)模型由于概念明確，形式簡(jiǎn)單，在船舶領(lǐng)域和鋼結(jié)構(gòu)抗沖擊荷載領(lǐng)域也有較多應(yīng)用[21-24]。因此，本文模擬選用考慮應(yīng)變率效應(yīng)的Cowper-Symonds力學(xué)模型，具體表達(dá)式如下：

(1)

為真實(shí)地模擬柱受側(cè)向沖擊荷載下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，需在鋼柱受沖擊荷載之前進(jìn)行軸力的施加，并在沖擊過(guò)程中保持軸力的穩(wěn)定。因此，將分析設(shè)置為兩步：第一步在構(gòu)件軸向施加軸力，利用ABAQUS中的平滑分析步幅值曲線(Smooth step)在單獨(dú)的分析步驟中施加軸向荷載，并保證足夠的加載時(shí)間，減少慣性效應(yīng)的影響；第二步在柱達(dá)到平衡后在沖擊部位通過(guò)定義初始速度實(shí)現(xiàn)沖擊載荷的加載。沖擊物與柱之間的接觸定義為無(wú)摩擦的面-面接觸，使用動(dòng)力學(xué)接觸方法。

1.2 模型校核

由于薄柔H型截面鋼柱的沖擊實(shí)驗(yàn)較少，為保證有限元模型的精確性，本文利用霍靜思[26]的各組普通H型截面鋼梁沖擊實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，這里選取部分結(jié)果來(lái)進(jìn)行說(shuō)明。圖3為沖擊力、位移時(shí)程曲線對(duì)比，圖4為試件HR43局部變形對(duì)比圖，表1為主要數(shù)據(jù)對(duì)比包括沖擊力峰值(Fmax)、平臺(tái)值(Fstable)及跨中最大位移(dmax)，可以看出，有限元結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

圖4為工況HR43試件的跨中局部變形的實(shí)驗(yàn)和模擬對(duì)比圖。可以看出局部變形主要集中在靠近加勁肋兩側(cè)，上翼緣加強(qiáng)板兩側(cè)應(yīng)力較大，鋼梁板件保持完好，未發(fā)生撕裂破壞。數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合。

圖3 沖擊力、位移時(shí)程曲線對(duì)比Fig.3 Comparision of impact force and displacement between numerical and test data

圖4 HR43局部變形對(duì)比Fig.4 Comparision of local deformation mode between experimental and numerical

表1 主要數(shù)據(jù)對(duì)比Table 1 Comparision between numerical and test data

綜上可知，根據(jù)1.1節(jié)的方法建立的有限元幾何模型及采用的材料模型、單元類型、接觸算法、計(jì)算控制方法等較為合理，能夠較為準(zhǔn)確地模擬H型截面鋼構(gòu)件在沖擊作用下的破壞過(guò)程。

2 參數(shù)化分析

2.1 試件選取

試件尺寸：h×b×tw×tf=350 mm×240 mm×8 mm×10 mm，有效長(zhǎng)度L=3 000 mm，沖擊部位位于試件柱中。沖擊質(zhì)量m=1 t.撞擊物截面為矩形，尺寸為360 mm×100 mm.整體模型總單元數(shù)為15 868.所選構(gòu)件符合實(shí)際工程應(yīng)用，且滿足各國(guó)規(guī)范的薄柔截面規(guī)定。

2.2 參數(shù)設(shè)置

本節(jié)對(duì)影響構(gòu)件在沖擊荷載下力學(xué)性能的主要因素，如沖擊速度、沖擊質(zhì)量、沖擊位置、軸壓力等展開詳細(xì)研究。表2為構(gòu)件的荷載參數(shù)設(shè)置。其中，第一組：T1，T2，T3，沖擊速度與沖擊質(zhì)量都在變化，但總沖擊能量不變；第二組：T4，T5，T6，沖擊質(zhì)量變化，其他參數(shù)不變；第三組：T6，T7，T8，沖擊速度變化，其他參數(shù)不變；第四組：T6，T9，T10，沖擊位置變化，其他參數(shù)不變；第五組：T6，T11，T12，T13，T14，軸力變化，其他參數(shù)不變。

表2 荷載參數(shù)設(shè)置Table 2 Parameters of load

將模擬得到的主要結(jié)果列于表3中。

表3 數(shù)值模擬主要結(jié)果Table 3 Schedule of numerical simulation

2.3 不同速度與質(zhì)量對(duì)構(gòu)件的影響

圖5為相同沖擊能量，不同沖擊質(zhì)量與速度的組合對(duì)構(gòu)件抗沖擊性能的影響?？梢钥闯?，沖擊質(zhì)量對(duì)于構(gòu)件受沖擊作用的時(shí)間有明顯影響，質(zhì)量越大，沖擊作用時(shí)間越長(zhǎng)。沖擊質(zhì)量對(duì)撞擊處位移的影響大于沖擊速度。此外，可以看出，在沖擊能量一定的情況下，不同沖擊質(zhì)量與速度的組合對(duì)構(gòu)件的耗能及耗能率影響不大，這是由于構(gòu)件的耗能主要是由初始沖擊能量決定的。

圖5 不同的沖擊質(zhì)量與速度對(duì)構(gòu)件抗沖擊性能的影響Fig.5 Effect of identical impact energy but different mass and velocity on impact resistance of members

2.4 沖擊速度對(duì)構(gòu)件的影響

保持沖擊質(zhì)量不變，通過(guò)改變初始沖擊速度來(lái)實(shí)現(xiàn)沖擊能量的變化。圖6為沖擊速度對(duì)H型鋼構(gòu)件動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響，可以看出，隨著沖擊速度的提高，構(gòu)件沖力峰值增大，沖擊力平臺(tái)值提高，且沖擊時(shí)間也有所增加，撞擊處位移顯著增大。這是由于隨著沖擊能量的增大，構(gòu)件需要產(chǎn)生更大的塑性變形來(lái)消耗能量。還可以看出，隨著沖擊速度的增大，構(gòu)件的耗能及單位位移下的耗能在增大，這是由于構(gòu)件變形速度增大使得材料應(yīng)變率上升，因而材料強(qiáng)度提高，從而表現(xiàn)出截面抗彎強(qiáng)度的增大。

圖6 沖擊速度對(duì)構(gòu)件抗沖擊性能的影響Fig.6 Effect of impact velocity on impact resistance of members

2.5 沖擊質(zhì)量的影響

圖7為沖擊質(zhì)量對(duì)構(gòu)件抗沖擊力學(xué)性能的影響，隨著沖擊質(zhì)量的增大，沖擊力峰值增長(zhǎng)較小，沖擊質(zhì)量由1 000 kg增長(zhǎng)到2 000 kg，增長(zhǎng)100%，沖擊力峰值增長(zhǎng)1.4%；但平臺(tái)值有所降低，沖擊持時(shí)變長(zhǎng)，增長(zhǎng)126.5%，說(shuō)明沖擊質(zhì)量對(duì)構(gòu)件的沖擊持時(shí)影響較為明顯。沖擊物質(zhì)量的增大使得構(gòu)件撞擊處的位移增大，撞擊過(guò)程中構(gòu)件的變形速度也有了一定的增大。還可以看出，隨著沖擊質(zhì)量的增大，構(gòu)件消耗能量增大，但單位位移下的耗能幾乎不變。

結(jié)合圖5至7可得，最大沖擊力主要由沖擊速度決定；質(zhì)量相同的條件下，速度越大，最大沖擊力越大；相同沖擊速度下，沖擊質(zhì)量越大，沖擊時(shí)間越長(zhǎng)；但落錘質(zhì)量對(duì)最大沖擊力的影響不是很明顯；相比最大沖擊力，沖擊質(zhì)量對(duì)沖擊時(shí)間影響較大；沖擊能量的增加導(dǎo)致鋼構(gòu)件耗能的增加。

圖7 沖擊質(zhì)量對(duì)構(gòu)件抗沖擊性能的影響Fig.7 Effect of impact mass on impact resistance of members

另外，通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)速度對(duì)鋼構(gòu)件單位位移下的耗能影響要大于質(zhì)量。這可能是因?yàn)樗俣鹊脑黾訉?dǎo)致了應(yīng)變率的增加，使得鋼材的屈服強(qiáng)度提高，進(jìn)而單位位移耗能提高。

2.6 沖擊位置對(duì)構(gòu)件的影響

沖擊位置對(duì)構(gòu)件動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響如圖8所示?？梢钥闯?，隨著沖擊部位遠(yuǎn)離柱中，沖擊力平臺(tái)值有所提高，但幅度不明顯，沖擊時(shí)間縮短，而當(dāng)沖擊位置距離柱底1 000 mm時(shí)，沖擊部位的位移最大，構(gòu)件耗能最多。因此，距柱底1/3處受到?jīng)_擊被認(rèn)為是柱的抗彎能力最差的情況，表明該邊界條件下，距柱底1/3處是構(gòu)件遭受沖擊的最不利部位。

圖8 沖擊位置的影響Fig.8 Effect of impact location on impact resistance of members

2.7 軸壓力的影響

構(gòu)件在不同軸壓力下的沖擊力時(shí)程曲線和撞擊處位移時(shí)程曲線如圖9所示。從圖9及表3中可以看出，在峰值階段，軸力對(duì)構(gòu)件沖擊力峰值形狀及峰值大小影響較??；對(duì)構(gòu)件撞擊處的側(cè)向變形影響也較小，因此在峰值階段，軸力對(duì)構(gòu)件的耗能影響較小。在沖擊力平臺(tái)段，當(dāng)n=0.1，0.2時(shí)，相比于n=0構(gòu)件，平臺(tái)持續(xù)時(shí)間與沖擊力平臺(tái)值變化不大；當(dāng)n增大至0.3時(shí)，可以看出，沖擊平臺(tái)持續(xù)時(shí)間較n=0.1，0.2也有所上升；同時(shí)，沖擊力平臺(tái)值有明顯降低，說(shuō)明軸力對(duì)構(gòu)件的側(cè)向剛度有了一定影響。當(dāng)n=0.4時(shí)，可以看出，沖擊力平臺(tái)值顯著降低，沖擊持續(xù)時(shí)間顯著增大。還可以看出，隨著軸力增大，構(gòu)件撞擊處的側(cè)向變形持續(xù)增大，這是由于軸力的增大使得構(gòu)件的側(cè)向剛度減弱，而構(gòu)件變形速度基本不變，說(shuō)明軸力對(duì)構(gòu)件撞擊處的側(cè)向變形速度影響較小。另外，隨著軸力增大，構(gòu)件的耗能逐漸增大，單位位移下的耗能逐漸增大，且軸力對(duì)構(gòu)件耗能的影響主要在沖擊力平臺(tái)階段。

圖9 軸壓力對(duì)構(gòu)件抗沖擊性能的影響Fig.9 Effect of impact location on impact resistance of members

3 結(jié)論

一端固定一端滑動(dòng)H型鋼柱在柱中受沖擊荷載作用下的變形模式為：整體彎曲變形與局部變形的耦合，在柱中部位形成塑性鉸，沖擊部位是構(gòu)件塑性變形的主要發(fā)展部位。鋼柱的沖擊處局部變形主要表現(xiàn)為：柱中加載區(qū)上翼緣有明顯的下凹，腹板產(chǎn)生面外變形，隨著變形的發(fā)展，在靠近邊界處的柱頂和柱底部分產(chǎn)生了明顯的壓曲變形。

沖擊能量的增加導(dǎo)致鋼構(gòu)件塑性耗能的增加，最大沖擊力主要由沖擊速度決定；質(zhì)量相同的條件下，速度越大，最大沖擊力越大；相同沖擊速度下，沖擊質(zhì)量越大，沖擊時(shí)間越長(zhǎng)，但沖擊質(zhì)量對(duì)最大沖擊力的影響不是很明顯；相比最大沖擊力，沖擊質(zhì)量對(duì)沖擊時(shí)間影響較大。

由于速度的增加導(dǎo)致材料應(yīng)變率的增加，使得鋼材的屈服強(qiáng)度提高，因此速度使得鋼構(gòu)件塑性耗能率提高。相比之下，沖擊質(zhì)量并不能改變其塑性耗能率。

軸壓比對(duì)構(gòu)件在側(cè)向沖擊下的力學(xué)性能有較大影響，隨著軸壓比的增大，構(gòu)件沖擊力降低，撞擊處位移增大；另外，隨著軸力增大，構(gòu)件的耗能逐漸增大，耗能率逐漸增大，且軸力對(duì)構(gòu)件耗能的影響主要在沖擊力平臺(tái)階段。