爆炸荷載作用下鋼框架節(jié)點(diǎn)的動(dòng)力響應(yīng)分析

張秀華　李萬(wàn)成

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱　150040)

爆炸荷載作用下鋼框架節(jié)點(diǎn)的動(dòng)力響應(yīng)分析

張秀華李萬(wàn)成

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150040)

摘要:利用大型有限元軟件ANSYS/LS-DYNA，對(duì)鋼框架焊接節(jié)點(diǎn)在爆炸荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過(guò)分析節(jié)點(diǎn)區(qū)位移時(shí)程曲線，得出節(jié)點(diǎn)在不同爆炸荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)特性，指出在爆炸荷載作用下，框架節(jié)點(diǎn)端部位移快速達(dá)到最大值，而后振動(dòng)恢復(fù)至平衡位置，爆炸峰值壓力越大，節(jié)點(diǎn)區(qū)梁柱最大位移和殘余位移越大。

關(guān)鍵詞:鋼框架節(jié)點(diǎn)，爆炸荷載，動(dòng)力響應(yīng)，數(shù)值模擬

0　引言

近年來(lái)，各種類(lèi)型的爆炸在世界各國(guó)頻繁發(fā)生，爆炸沖擊波作用對(duì)建筑結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的破壞作用和很大的殺傷力［1］。因此，對(duì)結(jié)構(gòu)的抗爆性能課題的研究在工程領(lǐng)域已逐漸成為一個(gè)重要的研究方向［2，3］。Sabuwala［4］等對(duì)邊界完全固定的節(jié)點(diǎn)在爆炸荷載下做了有限元分析，分析結(jié)果指出了TM 5—1300規(guī)范對(duì)鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)在爆炸荷載下的不足之處，并提出了修改建議。Urgessa［5］等對(duì)鋼框架結(jié)構(gòu)在爆炸荷載下做了有限元分析，對(duì)比了3種不同類(lèi)型的節(jié)點(diǎn)動(dòng)力響應(yīng)，得出了3種節(jié)點(diǎn)的優(yōu)缺點(diǎn)。Daryan［6］等對(duì)上下翼緣角鋼連接的節(jié)點(diǎn)在爆炸荷載下做了有限元分析，討論了在爆炸荷載作用下節(jié)點(diǎn)的破壞模式以及適用性。

本文采用顯式動(dòng)力分析軟件ANSYS/LS-DYNA，研究鋼框架焊接節(jié)點(diǎn)在爆炸荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)，為研究鋼結(jié)構(gòu)抗爆設(shè)計(jì)提供參考。

1　有限元模型的建立

1.1爆炸荷載作用下鋼材的本構(gòu)關(guān)系

鋼材在常溫靜載情況下，所使用的本構(gòu)關(guān)系一般不考慮應(yīng)變速率的影響。但是在實(shí)際情況下，鋼材的力學(xué)性能或多或少受應(yīng)變速率的影響，特別是在受爆炸荷載等動(dòng)載作用下，應(yīng)變速率的影響非常顯著［7］。本文鋼梁和鋼柱采用焊接工字型截面，鋼材為Q345B，采用等向隨動(dòng)強(qiáng)化模型和Von-mises屈服準(zhǔn)則。鋼材按Cowper-Symonds方式考慮應(yīng)變率效應(yīng)對(duì)材料屈服強(qiáng)度的影響［8］，見(jiàn)式( 1) :

其中，σd為動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力;σy為靜態(tài)屈服應(yīng)力;為等效塑性應(yīng)變。具體參數(shù)取值見(jiàn)表1。

表1　材料參數(shù)表

1.2模型尺寸及相關(guān)參數(shù)

鋼框架節(jié)點(diǎn)形式有多種，現(xiàn)在常用的鋼框架節(jié)點(diǎn)形式，按受力特性分為:鉸接、半剛性連接和剛性連接;按其加工工藝又可分為:全焊接連接、螺栓連接、鉚釘連接和栓焊混合連接等［9］。本文采用焊接連接形式的節(jié)點(diǎn)為例，如圖1所示建立有限元模型。本文所選框架結(jié)構(gòu)的層高為3 m，柱網(wǎng)尺寸為6 m×6 m。鋼梁和鋼柱采用焊接工字型截面，單元類(lèi)型采用Shell163單元，有限元模型如圖2所示。

圖1　鋼框架節(jié)點(diǎn)模型圖

圖2　有限元模型

1.3荷載及約束條件

梁柱主要受力有:柱自重、梁上活載與恒載和爆炸荷載，在柱頂施加N =0.3Ncr=558 kN的豎向荷載，其中Ncr=1 860 kN，為柱子軸心受壓穩(wěn)定承載力，梁的上翼緣施加4 kN/m2的均布荷載，梁的上翼緣單元和柱的上部分翼緣單元施加爆炸荷載。并對(duì)柱頂端和底部加以水平滾動(dòng)鉸支座，梁端部加以豎向滾動(dòng)鉸支座。

爆炸荷載產(chǎn)生的沖擊波很復(fù)雜，為了便于計(jì)算，研究人員對(duì)爆炸壓力時(shí)程曲線做了不同形式的簡(jiǎn)化，本文采用簡(jiǎn)化成三角形沖擊荷載形式，爆炸沖擊波荷載表達(dá)形式為［10］:

式中: Ps——爆炸沖擊波超壓峰值;

td——爆炸持續(xù)時(shí)間。

2　計(jì)算結(jié)果分析

選取3種不同爆炸荷載，荷載1的超壓Ps=2.5 MPa，沖量I = 30 MPa· ms;荷載2的超壓Ps=5 MPa，沖量I =40 MPa·ms;荷載3的超壓Ps=7.5 MPa，沖量I =50 MPa· ms。圖3，圖4分別給出了焊接連接節(jié)點(diǎn)區(qū)梁端部翼緣邊緣的豎向位移時(shí)程曲線和柱端部翼緣邊緣的水平位移時(shí)程曲線。

從圖3，圖4可以看出，隨著爆炸荷載的施加，鋼框架梁柱開(kāi)始快速變形，梁柱最大位移幾乎發(fā)生在爆炸荷載超壓峰值之時(shí)。當(dāng)爆炸荷載超壓峰值和沖量較小時(shí)，梁柱端點(diǎn)位移快速達(dá)到峰值，而后恢復(fù)至平衡位置并在平衡位置振動(dòng)，表現(xiàn)為彈性階段;隨著爆炸荷載超壓峰值和沖量的繼續(xù)增大，梁柱端點(diǎn)位移峰值不斷增大，梁柱端點(diǎn)位移從峰值恢復(fù)至平衡位置后，仍有殘余位移存在，表現(xiàn)為彈塑性階段;繼續(xù)增加爆炸超壓峰值和沖量，梁柱端點(diǎn)位移快速達(dá)到最大值之后，梁柱端點(diǎn)位移峰值和殘余位移比較接近，并且振動(dòng)減弱，表現(xiàn)為塑性破壞階段。

圖3　梁端部翼緣邊緣豎向位移時(shí)程曲線

圖4　柱端部翼緣邊緣水平位移時(shí)程曲線

3　結(jié)語(yǔ)

利用ANSYS/LS-DYNA顯示動(dòng)力有限元分析軟件，對(duì)焊接連接形式的節(jié)點(diǎn)在爆炸荷載作用下進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)模擬分析，由節(jié)點(diǎn)的變形特點(diǎn)可以得出:

1)利用ANSYS/LS-DYNA有限元軟件，能夠很好地模擬爆炸荷載作用下鋼框架焊接節(jié)點(diǎn)的動(dòng)力響應(yīng)，對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行動(dòng)力分析是可行的。

2)在爆炸荷載作用下，節(jié)點(diǎn)區(qū)位移快速達(dá)到峰值，而后恢復(fù)至平衡位置，并在平衡位置振動(dòng)。爆炸超壓峰值和沖量越大，節(jié)點(diǎn)位移峰值和殘余位移越大。

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The dynamic response analysis of steel frame joints subjected to blast loads

Zhang Xiuhua Li Wancheng
( College of Civil Engineering，Northeast Forestry University，Harbin 150040，China)

Abstract:The ANSYS/LS-DYNA software is used to set up the steel frame joints models and analyze the responses subjected to blast loads.The dynamic response characteristics of joints under different blast loads were obtained through analysis of displacement time history curves of joints.The paper points out that under blast loads，the joints displacement quickly reach the maximum value，and then decrease to the equilibrium position.The displacement maximum value and residual displacement of column and beam increase with the increase of blast loads.

Key words:steel frame joints，blast load，dynamic response，numeric simulation

作者簡(jiǎn)介:張秀華(1970-)，女，碩士生導(dǎo)師，副教授;李萬(wàn)成(1990-)，男，在讀碩士

收稿日期:2015-11-22

文章編號(hào):1009-6825( 2016) 04-0019-03

中圖分類(lèi)號(hào):TU323.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A