沖擊荷載作用下不同梁柱節點對鋼框架動力響應影響分析

李昌彥，付曉東

(中國建筑科學研究院有限公司 混疑土設計部，北京 朝陽區 100013)

0 引言

近年來，鋼結構建筑遭受沖擊、爆炸等偶然荷載作用的事件頻繁發生，如美國世貿大廈遭受飛機撞擊。鋼結構建筑由于自重較輕，構件塑性變形較大，因此在沖擊荷載作用下，結構或構件的損傷勢必高于混凝土結構。

而對于鋼結構建筑而言，沖擊作用下，梁柱節點的耗能特性及能量傳遞對鋼框架整體穩定性有顯著影響。因此，沖擊作用下，開展不同梁柱節點的鋼框架動態響應研究，準確把握鋼結構梁柱節點在沖擊作用下的動態響應機理，對鋼結構建筑抗沖擊設計具有現實指導意義。

鋼框架結構在沖擊荷載作用下的力學性能備受學者關注，對于鋼框架結構的動力響應研究可集中在鋼構件的抗沖擊性能研究、節點的抗沖擊性能研究以及結構整體動力響應等方面。在鋼構件方面，崔娟玲團隊通過沖擊試驗對H型鋼柱的抗沖擊性能進行研究[1,2,3,4]，結果表明H型鋼柱具有良好的抗沖擊性能，并分析了約束條件對H型鋼柱在沖擊作用下的動力響應的影響；霍靜思對4根熱軋H型鋼梁進行了落錘撞擊試驗[5]，通過記錄沖擊力時程曲線和跨中變形，得出試件的撓曲變形為正弦半波曲線，并分析了鋼梁在沖擊作用下的懸鏈線效應。在鋼結構節點的抗沖擊性能研究方面，王海濤等人對狗骨式鋼結構梁柱節點的抗沖擊性能進行試驗研究[6]，分析了狗骨式梁柱節點的耗能能力以及內力發展規律；宋玉華通過試驗研究了狗骨式梁柱節點在低頻沖擊荷載下的抗沖擊性能[7]。在鋼框架結構整體在沖擊作用下的動力響應研究方面，付朝江通過有限元模擬研究了鋼框架的倒塌機理[8,9]，認為鋼框架倒塌發展分為三個階段：彈性階段、塑性和懸鏈線階段、懸鎖機構階段。鋼框架最終由于梁轉角過大和柱失效而倒塌；張秀華[10]等研究了鋼框架在沖擊荷載作用下的破壞模式，破壞模式主要是柱腳剪切破壞以及柱中翼緣屈曲破壞。然而，沖擊荷載作用下，不同節點形式的鋼框架動力響應規律尚缺乏研究。

為了獲悉不同節點的鋼框架的動力響應的差異以及抗沖擊性能，本文選取工程中常見的三種梁柱節點形式的鋼框架，開展沖擊荷載作用下的鋼框架動力響應規律研究，探究不同節點形式的鋼框架的動力響應差異以及塑性變形能的分布規律。

1 數值模擬

1.1 模型介紹

基于有限元軟件ABAQUS建立鋼框架的數值模型，分析不同節點類型對鋼框架的抗沖擊性能的影響，所建立的模型分為鋼柱、鋼梁以及梁柱連接節點。模型中采用三維實體單元(C3D8R)。建立的數值模型如圖1所示。

圖1 數值模型

在沖擊荷載作用下，由于鋼材的應變率效應，鋼材會出現強度提高的特性。目前考慮鋼材應變率效應的兩種主流模型為Cowper-Symonds模型(CS)和Johnson-Cook模型(JC)，CS模型適用于低應變率的動力學問題，JC模型更傾向于計算高應變率的動力學問題。本模型中鋼材的應變率相對較低，故采用CS模型考慮鋼材的應變率效應，即

(1)

1.2 材料參數及構件尺寸參數

本文模型的材料為鋼材，鋼柱和鋼梁均為H型鋼，具體的材料參數如表1所示，構件尺寸及節點示意圖如圖2所示。

表1 鋼材的基本物理參數

(a)鋼框架結構尺寸示意圖

(b)焊接節點

(c)齊平式節點

(d)外伸式節點

2 結果分析

為探究不同節點形式的鋼框架在沖擊荷載下的動力響應，本文采用質量為60kg的撞擊錘頭，以18m/s的速度側向撞擊H型鋼柱柱中位置，撞擊面為H型鋼柱強軸面。分析撞擊過程中接觸面的沖擊力，撞擊點的位移變化以及鋼框架的能耗分布情況。

2.1 沖擊力

如圖3所示,為不同節點的鋼框架撞擊面的沖擊力時間變化曲線，沖擊荷載作用時，撞擊面的沖擊力經歷了大致三個階段，第一個階段為峰值階段，此時接觸面沖擊壓力迅速上升，達到最大值，然后進入第二個階段-衰減階段，此過程沖擊力迅速降低，沖擊壓力衰減到最小值時，錘頭與鋼柱撞擊點的速度差也達到最小，隨后撞擊點速度減小，錘頭與鋼柱接觸壓力再次增大，進入第三個階段-穩定階段，此過程沖擊壓力基本處于平穩階段。

從圖3可知，不同節點形式的鋼框架的沖擊力響應情況不同，焊接節點的鋼框架沖擊力峰值最小，外伸式螺栓節點的鋼框架的沖擊力峰值最大。由此可知，焊接節點的鋼框架可以有效降低沖擊力對受撞構件的影響。

(a)焊接節點

(b)齊平式螺栓節點

(c)外伸式螺栓節點

2.2 撞擊點位移

如圖4所示,為不同節點的鋼框架撞擊點位移時間曲線，由圖可知，焊接節點的鋼框架撞擊點位移峰值最小，而采用外伸式螺栓節點的鋼框架撞擊點位移峰值最大。由此可初步得出結論，焊接節點的鋼框架可以有效降低受沖擊構件的變形。

(a)焊接節點

(b)齊平式螺栓節點

(c)外伸式螺栓節點

2.3 鋼框架塑性變形能分布

為探究不同節點形式的鋼框架在沖擊荷載作用下的塑性變形能的分布情況，分別提取了不同節點的鋼框架的鋼柱、鋼梁以及整個鋼框架的塑性變形能變化數據，如圖5所示。由圖可知，三種節點形式的鋼框架系統總塑性變形能基本一致，但鋼框架各部分的塑性耗能有顯著差異。由圖5可知，三種節點形式的鋼框架中，三種節點所連接的鋼梁塑性變形能均較低。塑性耗能主要由鋼柱塑性變形以及節點變形來承擔。由此表明，鋼框架在沖擊過程中，沖擊能量主要由節點區域變形以及受撞擊構件變形承擔，沖擊荷載作用于鋼框架上，只對鋼框架局部區域有影響，而非整個結構。

節點區域變形耗能占據一定比重，并且不同類型的節點，其塑性變形耗能能力不同。不同節點對鋼柱的塑性耗能影響顯著。焊接節點的鋼框架柱塑性變形能最低，外伸式螺栓節點的鋼框架柱塑性變形能最高。由此可知，沖擊作用下，焊接節點吸收較大部分的塑性能，節點破壞相比螺栓節點來說更嚴重，而螺栓節點的耗能能力較弱，沖擊能大部分被鋼柱吸收。究其原因主要為：焊接節點剛度較大，當沖擊荷載作用于鋼柱時，鋼柱發生變形，在柱腳和節點區域發生轉動，焊接節點區域轉動較大，耗能較多，承擔了較大能量。在鋼結構設計中，螺栓節點常常被簡化為鉸接點，節點不傳遞彎矩，在沖擊荷載作用時，螺栓節點轉動耗能能力較弱，且彎矩傳遞給梁的部分也十分有限，因而沖擊能量主要由鋼柱自身變形承擔，螺栓節點產生的變形耗能十分有限。

(a)焊接節點

(b)齊平式螺栓節點

(c)外伸式螺栓節點

3 結語

第一，建立了不同節點形式的鋼框架數值模型，沖擊作用下，采用CS本構模型能夠較好地反應結構的動態響應過程。

第二，節點形式對鋼框架在沖擊作用下的動態響應有顯著影響，焊接節點能夠吸收較多的塑性變形能，因而節點的變形損害更為嚴重，而螺栓節點的耗能能力較弱，能量大部分由受撞擊的鋼柱承擔。因此建議設計中考慮采用外伸式螺栓節點，避免節點破壞，起到“強節點弱桿件”的作用。

第三，鋼框架結構中，沖擊力的作用范圍較低，只影響受撞擊構件以及相鄰的梁柱節點，對節點連接的相鄰構件的影響較低。