爆炸荷載作用下鋼桁架收費(fèi)雨棚的動(dòng)力響應(yīng)與破壞模式

郭晉欣，張金香，崔永林，王天新

（1.山東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，山東 濟(jì)南 250031；2.齊魯高速公路股份有限公司，山東 濟(jì)南 250101）

引言

近年來國內(nèi)、外恐怖襲擊事件頻繁發(fā)生，給國家發(fā)展和人民的生命財(cái)產(chǎn)造成了巨大的損失。在各種突發(fā)性強(qiáng)烈爆炸荷載作用下如何有效防護(hù)各類結(jié)構(gòu)構(gòu)件免遭破壞甚至倒塌，并將可能發(fā)生的生命和財(cái)產(chǎn)損失降至最低，己經(jīng)成為擺在我們面前亟待解決的一項(xiàng)重要而現(xiàn)實(shí)的課題[1]。為此，國內(nèi)外專家、學(xué)者在這方面做出了一些研究，文獻(xiàn)[2-3]分析了在爆炸沖擊荷載作用下鋼材的本構(gòu)關(guān)系和動(dòng)力性能；文獻(xiàn)[4]主要研究平板網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在不同支撐柱的布置形式的情況下，受到室外爆炸荷載作用時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和破壞倒塌模式。

1 本構(gòu)模型

在收費(fèi)雨棚模擬過程中，采用ANSYS/LS-DYNA材料模型庫中與應(yīng)變率有關(guān)的隨動(dòng)塑性材料模型，應(yīng)變率按照Cowper-Symonds（簡稱C-S模型）考慮，屈服應(yīng)力：

式中：σ0—初始屈服應(yīng)力，Pa；ε—應(yīng)變率；C、P—C-S模型應(yīng)變率參數(shù)，取C=40 s-1，P=5[7]； —有效塑性應(yīng)變；Ep—塑性硬化模量，由計(jì)算確定：

選用鋼材基本參數(shù)見表1。

表1 鋼材材料參數(shù)

2 爆炸荷載作用下收費(fèi)雨棚的動(dòng)力響應(yīng)和破壞模式

2.1 計(jì)算模型

濟(jì)南某收費(fèi)站收費(fèi)雨棚整個(gè)結(jié)構(gòu)上部采用管桁架，下部采用圓管柱支撐，見圖1。因結(jié)構(gòu)為左右完全對稱結(jié)構(gòu)，本節(jié)取與雨棚柱相連的半榀管桁架作為幾何模型。單榀管桁架模型為四邊形桁架，榀桁架寬1.2 m，高1.2 m，每榀桁架總長82.6 m。桁架是由兩根上弦（D159×8）和兩根下弦（D159×8）以及與上下弦桿件相貫的腹桿（D83×4、D114×5）連接組成的平行四邊形的空間桁架，又由四根圓管支撐（D273×16）與雨棚柱（D660×16）連接在一起，雨棚所用管件材質(zhì)均為Q235。雨棚管件見表2。

圖1 濟(jì)南某收費(fèi)雨棚結(jié)構(gòu)布置/mm

表2 雨棚管件

應(yīng)用ANSYS/LS-DYNA軟件進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，采用beam161單元，材料模型采用等向隨動(dòng)強(qiáng)化Plastic Kinematic模型，分別模擬雨棚邊柱、中柱承受爆炸荷載作用時(shí)雨棚的動(dòng)力響應(yīng)。爆炸荷載典型超壓時(shí)程曲線見圖2，爆炸荷載作用時(shí)間為0.3～1.5 s；在雨棚上弦施加均布恒載、活荷載，荷載值為2 340 N，作用時(shí)間為 0～1.5 s。

2.2 動(dòng)力響應(yīng)

雨棚邊柱、中柱承受200 kN/m爆炸荷載作用時(shí)，特征節(jié)點(diǎn)（A1為懸臂端節(jié)點(diǎn)，B1017為16.5 m跨中節(jié)點(diǎn)，C2370為27.6 m跨中節(jié)點(diǎn)）Z向位移-時(shí)程曲線見圖3、圖4，由此判斷該工況下不同柱子位置對結(jié)構(gòu)抗爆性能的影響。

圖2 爆炸典型超壓時(shí)程曲線[5]

圖3 邊柱為受爆柱時(shí)特征節(jié)點(diǎn)Z方向位移-時(shí)程曲線

圖4 中柱為受爆柱時(shí)特征節(jié)點(diǎn)Z方向位移-時(shí)程曲線

當(dāng)邊柱與中柱分別為受爆柱時(shí)，雖然邊柱和中柱皆為圓形截面，并且截面尺寸一致，但由于邊柱與中柱的邊界條件不同以及柱頂承受的豎向荷載的差異，在承受爆炸荷載的作用時(shí)，特征節(jié)點(diǎn)的豎向位移-時(shí)程曲線存在一定的差異。（1）邊柱為受爆柱時(shí)，懸臂端節(jié)點(diǎn)1最大位移為-142.27 mm；跨中節(jié)點(diǎn)B1017最大位移為-49.39 mm；節(jié)點(diǎn)C2370 Z向位移第一峰值為27.50 mm。（2）當(dāng)中柱為受爆柱時(shí)，懸臂端節(jié)點(diǎn)1最大位移為33.10 mm；跨中節(jié)點(diǎn)B1017最大位移為-42.78 mm；而跨中節(jié)點(diǎn)C2370 Z向最大位移值為-85.97 mm。由此可知，當(dāng)中柱直接承受爆炸荷載時(shí)，對跨中造成的影響要大于邊柱為受爆柱時(shí)造成的影響，所以雨棚在該工況下發(fā)生破壞極有可能是由于中柱附近桿件的屈曲破壞引起的。

2.3 破壞模式

雨棚邊柱、中柱在250 kN/m、245 kN/m的爆炸沖擊荷載作用下，t=0.639 s時(shí)的應(yīng)力云圖見圖5、圖6?？芍?，當(dāng)t=0.639 s時(shí)，柱腳和跨中的應(yīng)力隨著爆炸荷載的增加而持續(xù)增大，柱跨中出現(xiàn)局部屈曲現(xiàn)象，而桁架也有較為明顯的變形，并且在與受爆柱相連的腹桿出現(xiàn)了屈曲現(xiàn)象。由此可知，雨棚在該工況爆炸荷載作用下，柱腳發(fā)生剪切破壞、與桁架相連1～2單元格桿件發(fā)生屈曲破壞，是導(dǎo)致單榀桁架發(fā)生整體倒塌的主要原因。

圖5 邊柱為受爆柱時(shí)雨棚應(yīng)力云圖

圖6 中柱為受爆柱時(shí)雨棚應(yīng)力云圖

3 結(jié)語

（1）在爆炸荷載作用下，中柱在受到爆炸荷載作用時(shí)對跨中產(chǎn)生的破壞比邊柱的影響更大。（2）該工況下雨棚柱腳及與雨棚柱相連的1～2單元區(qū)域內(nèi)桿件較為薄弱，未來設(shè)計(jì)時(shí)可增大與雨棚柱相連桁架1～2單元格內(nèi)弦桿壁厚及腹桿截面尺寸，以達(dá)到增強(qiáng)其抗爆性能的目的；對于雨棚柱柱腳可采取在柱腳區(qū)域澆筑混凝土防撞墩的措施，增加柱腳剛度。