爆炸沖擊荷載作用下鋼框架節(jié)點(diǎn)性能研究

譚繼可

（長(zhǎng)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(duì)結(jié)構(gòu)的效應(yīng)屬于動(dòng)力學(xué)問題，在現(xiàn)實(shí)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(jì)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(duì)結(jié)構(gòu)防爆性能課題的研究［3］。早期對(duì)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(duì)民用建筑和工業(yè)建筑的防爆性能進(jìn)行研究。國(guó)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(dòng)力響應(yīng)，得出了鋼框架破壞時(shí)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(dòng)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(duì)飛機(jī)撞擊世貿(mào)大廈的倒塌過程運(yùn)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(duì)國(guó)民生活的安全具有重要意義［8－9］。節(jié)點(diǎn)是框架結(jié)構(gòu)的重要組成部分，因此對(duì)節(jié)點(diǎn)在爆炸沖擊荷載作用下性能的研究對(duì)整體結(jié)構(gòu)的防爆性能分析具有重要的參考價(jià)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(diǎn)力學(xué)性能，設(shè)計(jì)模型如圖1 所示［10］。本模型為整體式十字鋼框架節(jié)點(diǎn)，其中對(duì)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(shí)，塑性應(yīng)變?yōu)?；屈服應(yīng)力為4. 5e8Pa 時(shí)，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?jiǎng)澐?/h3>

圖1 鋼框架節(jié)點(diǎn)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(diǎn)采用8 節(jié)點(diǎn)三維縮減積分單元C3D8R。對(duì)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(duì)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(diǎn)響應(yīng)分析

為研究爆炸沖擊荷載作用下節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)，在鋼框架節(jié)點(diǎn)右側(cè)梁端200 mm 范圍內(nèi)施加如圖4所示時(shí)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(diǎn)在不同爆炸荷載P 作用下的位移時(shí)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(shí)間也在向后推移，當(dāng)爆炸荷載降至0 時(shí)，框架梁的振動(dòng)仍然在持續(xù)。當(dāng)爆炸沖擊荷載不是很大時(shí)，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(shí)，對(duì)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(shí)際的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分考慮爆炸沖擊荷載對(duì)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(shí)，此時(shí)總體造價(jià)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(shí)間函數(shù)的壓力荷載

圖5 爆炸沖擊荷載作用下節(jié)點(diǎn)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(duì)節(jié)點(diǎn)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(shí)，塑性應(yīng)變?yōu)?；應(yīng)力為3. 5e8Pa 時(shí)，塑性應(yīng)變?yōu)?.1。鋼材B：應(yīng)力為3.45e8Pa 時(shí)，塑性應(yīng)變?yōu)?；應(yīng)力為4.5e8Pa時(shí)，塑性應(yīng)變?yōu)?.1。鋼材C：應(yīng)力為4.45e8Pa 時(shí)，塑性應(yīng)變?yōu)?；應(yīng)力為5.5e8Pa時(shí)，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(shí)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(duì)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(duì)節(jié)點(diǎn)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(dòng)周期越小，振動(dòng)頻率也就越大。因此，實(shí)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(duì)鋼框架滯回特性的影響

為研究鋼框架節(jié)點(diǎn)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(duì)鋼框架滯回特性的影響。

圖8 鋼框架節(jié)點(diǎn)滯回曲線

圖9 爆炸沖擊荷載作用后節(jié)點(diǎn)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(duì)比分析可以得出，爆炸沖擊荷載作用后的框架節(jié)點(diǎn)，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(duì)結(jié)構(gòu)是不利的，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(duì)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(duì)框架節(jié)點(diǎn)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(shí)，對(duì)應(yīng)的鋼框架節(jié)點(diǎn)塑性耗能曲線（圖10）和骨架曲線（圖11）。從鋼框架節(jié)點(diǎn)塑性耗能曲線可以看出，梁端壓力爆炸荷載值越大，節(jié)點(diǎn)塑性耗費(fèi)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(diǎn)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(diǎn)塑性耗能曲線

圖11 鋼框架節(jié)點(diǎn)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(shì)，對(duì)鋼框架節(jié)點(diǎn)數(shù)值模擬，分析其在爆炸沖擊荷載作用下的位移時(shí)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(duì)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(duì)鋼框架節(jié)點(diǎn)滯回性能的影響。爆炸沖擊荷載作用時(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)會(huì)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(duì)結(jié)構(gòu)是不利的。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮爆炸沖擊荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的不利影響，選用對(duì)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(duì)結(jié)構(gòu)的破壞程度。爆炸沖擊荷載作用下鋼框架節(jié)點(diǎn)性能的研究對(duì)結(jié)構(gòu)防爆設(shè)計(jì)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(duì)結(jié)構(gòu)影響，如何考慮爆炸沖擊荷載和火共同作用對(duì)結(jié)構(gòu)整體性能的影響有待進(jìn)一步研究。

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