沖擊荷載下金屬填充梁柱鋼節(jié)點(diǎn)動力學(xué)分析①

(1.安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230000;2.安徽水安建設(shè)集團(tuán)股份有限公司,安徽 合肥 230000)

0 引 言

胞元金屬材料[1](Cellular metal)作為一種結(jié)構(gòu)功能性材料，具有較好的抗震耗能、隔聲隔熱性能，由于其優(yōu)異的服役性能，現(xiàn)已作為構(gòu)件填充料廣泛應(yīng)用于建筑、機(jī)械、國防工程等領(lǐng)域[2-5]。在建筑工程中，板狀胞元金屬材料上下面復(fù)合鋼板，制作成夾芯復(fù)合材料，可極大地改善板材的抗彎抗壓性能[2-6]。填充物力學(xué)性能，如相對密度、基材參數(shù)等，將導(dǎo)致鋼構(gòu)件的屈曲失穩(wěn)類型從整體歐拉屈曲向局部皺曲過渡[7]。為使填充鋼結(jié)構(gòu)的抗彎性能最優(yōu)，張勇、Zong Wang等[8-10]利用Kriging技術(shù)對填充物材料拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，分析結(jié)果顯示梯度胞元金屬填充物可以使鋼結(jié)構(gòu)整體抗彎性到達(dá)最優(yōu)。另一方面，為提升鋼結(jié)構(gòu)在沖擊荷載下的力學(xué)性能，Yonghui Wang等[11-13]學(xué)者分別嘗試了三種不同的技術(shù)方案：構(gòu)件剛性加固、緩沖防護(hù)部件和填充芯料，這些方案在相應(yīng)工況下皆可顯著提升鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的沖擊服役性能。因此，研究鋼構(gòu)件的沖擊響應(yīng)并制定相應(yīng)措施，對鋼結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展和工程防護(hù)起到積極的作用。

以現(xiàn)有薄壁管狀節(jié)點(diǎn)沖擊試驗[14]為基礎(chǔ)，利用已有文獻(xiàn)中胞元金屬緩沖材料[3]為依據(jù)，將胞元金屬緩沖材料填充至薄壁金屬管內(nèi)，以此來緩沖芯料鋼節(jié)點(diǎn)在不同沖壓速度下的失效類型及其力學(xué)特性。運(yùn)用有限元分析法，分別模擬不同沖擊工況下填充胞元金屬材料鋼節(jié)點(diǎn)的動力學(xué)性能和沖擊響應(yīng)。為鋼結(jié)構(gòu)建筑節(jié)點(diǎn)在災(zāi)害防護(hù)及極端工況下的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供相關(guān)依據(jù)。

1 節(jié)點(diǎn)概況

1.1 節(jié)點(diǎn)裝配

節(jié)點(diǎn)型式參照文獻(xiàn)[14]中的節(jié)點(diǎn)構(gòu)型采用十字形鋼節(jié)點(diǎn)，為符合工程工況將試樣尺寸進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。節(jié)點(diǎn)示意圖及其尺寸如圖1所示。對于金屬芯料而言，現(xiàn)有研究表明將金屬胞元按照特定規(guī)則進(jìn)行整合可使整體材料滿足胞元金屬“三階段”應(yīng)力變化曲線[5]，采用六面體金屬薄壁胞元，組裝成節(jié)點(diǎn)芯料。同時，為符合胞元金屬材料的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨機(jī)性，采用隨機(jī)移除算法將胞元進(jìn)行隨機(jī)移除，芯料示意圖如圖2所示。

1.2 模型建立

按照節(jié)點(diǎn)詳圖，運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS Ls-dyna建立3種節(jié)點(diǎn)模型：傳統(tǒng)鋼節(jié)點(diǎn)、芯料填充節(jié)點(diǎn)和“強(qiáng)柱弱梁”型填充節(jié)點(diǎn) (分別用J0、J1和J2表示)，其中芯料填充節(jié)點(diǎn)為梁柱皆填充芯料，而“梁柱弱梁”型節(jié)點(diǎn)則僅填充鋼柱,所有節(jié)點(diǎn)尺寸皆相同。模型采用SHELL163單元，該單元為四節(jié)點(diǎn)空間薄殼單元。此外，沿厚度方向積分點(diǎn)設(shè)置為5，剪切系數(shù)設(shè)為0.83。為反映構(gòu)件在沖擊工況下材料翹曲現(xiàn)象，選用Belytschko-Wong算法。材料本構(gòu)模型選用塑性滑動模型(Cowper-Symonds模型)，該模型可以較好地反映瞬時荷載作用下的材料強(qiáng)化效應(yīng)。梁柱節(jié)點(diǎn)與胞元金屬芯料分別選用鋼[4]和鋁[5]兩種材料，其力學(xué)參數(shù)如表1所示。

圖1 節(jié)點(diǎn)尺寸

圖2 胞元金屬芯料

圖3 節(jié)點(diǎn)裝配圖及其工況

表1 材料力學(xué)性能參數(shù)

圖4 低速沖擊下節(jié)點(diǎn)變形模式

圖5 中速沖擊下節(jié)點(diǎn)變形

模型網(wǎng)格劃分設(shè)置為自由劃分。同時，為模擬鋼板在荷載作用下的皺曲現(xiàn)象，設(shè)置材料間的動態(tài)摩擦系數(shù)為0.45。在加載制度方面，當(dāng)今工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)撞擊試驗的相關(guān)規(guī)程中(NCAP, new car assessment program )顯示，撞擊試驗的沖擊速度范圍為10～150km/h(2.8～41.7m/s)。因此，加載制度設(shè)置為低速沖擊(20m/s)和中速沖擊(40m/s)，為探究該節(jié)點(diǎn)在高速撞擊下的動態(tài)響應(yīng)，特設(shè)置高速對照荷載70m/s。加載方式設(shè)置為恒速剛性壓板加載沖擊加載，當(dāng)剛性板沖擊歷程至900mm時終止加載。為探究該類節(jié)點(diǎn)動態(tài)響應(yīng)，特別是節(jié)點(diǎn)處的變形及承載力，約束方式采用梁構(gòu)件梁端約束，柱頂設(shè)置剛性沖壓板。以芯料填充節(jié)點(diǎn)為例，其裝配示意圖及工況如圖3所示

2 沖擊荷載下節(jié)點(diǎn)變形響應(yīng)

2.1 節(jié)點(diǎn)破壞類型

圖4為不同類型節(jié)點(diǎn)在20m/s沖擊荷載下的變形響應(yīng)?？梢钥闯?，在低速沖擊下，節(jié)點(diǎn)芯料對節(jié)點(diǎn)整體沖擊形變具有較大影響。對傳統(tǒng)鋼節(jié)點(diǎn)而言，梁柱鋼板作為唯一受力構(gòu)件，在早期階段構(gòu)件應(yīng)力出現(xiàn)在沖擊端附近，且節(jié)點(diǎn)核心區(qū)上側(cè)受力較為集中，而下側(cè)幾乎無應(yīng)力。對于芯料填充節(jié)點(diǎn)，一方面芯料在沖擊作用下呈橫向變形，為節(jié)點(diǎn)鋼板提供側(cè)向支撐力；另一方面，芯料的填充使節(jié)點(diǎn)有效截面增大，使得核心區(qū)處的應(yīng)力分布相對均勻。在節(jié)點(diǎn)破壞類型方面，傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)失效狀態(tài)為節(jié)點(diǎn)核心區(qū)出現(xiàn)明顯鼓翹變形，梁柱焊接處出現(xiàn)顯著裂縫；而芯料的填充，使得節(jié)點(diǎn)核心區(qū)出現(xiàn)皺曲變形[6,7]，同時減緩焊接處鋼板斷裂的產(chǎn)生。

圖6 高速沖擊下節(jié)點(diǎn)變形模式

圖5和圖6分別為節(jié)點(diǎn)在50m/s和70m/s沖擊速度下的節(jié)點(diǎn)破壞類型。相較于低速沖擊荷載，高速沖擊荷載下由于材料的慣性效應(yīng)[10]使得沖擊端處的鋼板應(yīng)力更為集中，在節(jié)點(diǎn)受力早期，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)幾乎無明顯變化。在節(jié)點(diǎn)受力后期，傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)由于鋼梁的橫向擠壓出現(xiàn)較大翹曲變形和應(yīng)力集中，而填充節(jié)點(diǎn)的沖擊變形響應(yīng)則以節(jié)點(diǎn)核心區(qū)橫向擠壓和整體皺曲為主，其鋼板應(yīng)力相對較小，焊接區(qū)斷裂現(xiàn)象得到極大地改善。

2.2 節(jié)點(diǎn)沖擊形變

在荷載作用下的節(jié)點(diǎn)撓度是反映構(gòu)件承載能力的重要指標(biāo)。為探究芯料填充對節(jié)點(diǎn)沖壓作用下構(gòu)件抗彎性能的影響，采取節(jié)點(diǎn)核心區(qū)不設(shè)任何約束。在此工況下，對于承受相同沖擊荷載的不同節(jié)點(diǎn)而言，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)撓度越小說明其抗彎性能越優(yōu)良。圖7和圖8分別為梁鋼板軸線撓度曲線和節(jié)點(diǎn)核心區(qū)撓度?？梢钥闯?，不同節(jié)點(diǎn)類型在不同工況下的撓度差異較為明顯。芯料填充節(jié)點(diǎn)的沖擊撓度值明顯小于傳統(tǒng)鋼節(jié)點(diǎn)。對于傳統(tǒng)鋼節(jié)點(diǎn)而言，其沖擊撓度隨沖擊速度增大而增大；而芯料填充節(jié)點(diǎn)撓度與其沖擊速度并未呈現(xiàn)顯著關(guān)聯(lián)性，但其撓度值顯著小于傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)撓度，表明芯料的填充可以有效地改善節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的抗彎性能。該現(xiàn)象原因為胞元金屬芯料由多孔胞元金屬組合而成，該材料的填充使得沖擊端附近區(qū)域的芯料優(yōu)先產(chǎn)生坍塌壓縮變形[6,10]，消耗沖擊端所引發(fā)的沖擊勢能，較少沖擊勢能向節(jié)點(diǎn)核心區(qū)方向傳遞，降低節(jié)點(diǎn)整體的撓曲變形。

圖7 梁軸線撓度曲線

圖8 節(jié)點(diǎn)中心沖擊撓度

3 沖擊荷載下節(jié)點(diǎn)承載力分析

圖9為節(jié)點(diǎn)核心區(qū)鋼板在不同沖擊工況下的名義應(yīng)力變化歷程，從圖中可以看出節(jié)點(diǎn)鋼板應(yīng)力變化趨勢與節(jié)點(diǎn)荷載-撓度曲線[14]的變化趨勢相似。節(jié)點(diǎn)鋼板在服役早期承受較高應(yīng)力，當(dāng)核心區(qū)鋼板出現(xiàn)局部屈服變形時，節(jié)點(diǎn)焊接處出現(xiàn)斷裂，此時核心區(qū)鋼板應(yīng)力呈明顯衰減。

可以看出，節(jié)點(diǎn)鋼板早期應(yīng)力峰值隨沖擊速度增大而顯著增大，該現(xiàn)象符合鋼材料應(yīng)變率效應(yīng)，即沖擊荷載下，材料應(yīng)力隨其應(yīng)變率增加而增大。在鋼板有效承載階段，由于芯料的填充，使得其核心區(qū)鋼板應(yīng)力明顯低于傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)。該原因為芯料的填充一方面增加了節(jié)點(diǎn)核心區(qū)受力面積，另一方面在沖擊荷載下，芯料擠壓或拉伸變形時節(jié)點(diǎn)主要的力學(xué)響應(yīng)。圖10為芯料和節(jié)點(diǎn)鋼板沖擊作用后的應(yīng)力分布圖(以50m/s沖擊荷載為例)，可以看出胞元金屬芯料為節(jié)點(diǎn)的主要承載構(gòu)件。

圖9 節(jié)點(diǎn)鋼板應(yīng)力變化歷程圖

圖10 節(jié)點(diǎn)鋼板和芯料應(yīng)力分布

表2為各節(jié)點(diǎn)在不同工況下的等效沖擊應(yīng)力?？梢钥闯?，胞元金屬芯料的填充可以顯著降低節(jié)點(diǎn)核心區(qū)鋼板的沖擊應(yīng)力。在低速沖擊下，芯料的填充使得鋼板沖擊等效應(yīng)力降低40%左右，降低節(jié)點(diǎn)在瞬時沖擊荷載下的材料損傷，提高節(jié)點(diǎn)整體服役期限。另一方面，對于不同的芯料填充方案而言，芯料僅填充在柱內(nèi)或梁柱皆填充兩種方案在應(yīng)力弱化上差別不大，僅在50m/s 沖擊工況下差別較大。

表2 各節(jié)點(diǎn)等效沖擊應(yīng)力

4 結(jié) 論

通過分析三種節(jié)點(diǎn)在不同沖擊速度下的力學(xué)響應(yīng)，結(jié)論如下：1)胞元金屬芯料的填充可以弱化節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力集中現(xiàn)象，顯著延緩節(jié)點(diǎn)核心區(qū)梁柱連接區(qū)域的斷裂現(xiàn)象，減小節(jié)點(diǎn)撓度；2)沖擊荷載下的芯料填充節(jié)點(diǎn)，其節(jié)點(diǎn)核心區(qū)鋼板的名義沖擊應(yīng)力顯著降低，降低幅度約10～40%，胞元金屬芯料為主要的沖擊緩沖部件。