賀擁軍 姜玉婷 周緒紅

摘? ?要：為了研究立體車庫在車輛撞擊下的性能，采用ANSYS/LS-DYNA軟件分別建立立體車庫多尺度和精細化有限元模型，對比了兩種模型的計算精度和效率，驗證了多尺度模型的適用性.基于多尺度模型，對立體車庫在撞擊作用下的動力響應(yīng)進行了分析，且研究了撞擊速度、撞擊質(zhì)量、撞擊位置和上部工況等參數(shù)的變化對結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的影響，進而對撞擊力進行了研究，并將撞擊力結(jié)果與中國規(guī)范、美國規(guī)范和歐洲規(guī)范進行了比較.研究結(jié)果表明：車輛對立體車庫的撞擊作用具有局部性;撞擊速度和撞擊質(zhì)量對結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)影響較大，撞擊位置與上部工況對其影響較小;撞擊速度的變化對撞擊力的影響最為明顯，但當撞擊作用導致被撞柱失效后，撞擊力峰值不再隨撞擊速度和撞擊質(zhì)量的增加而改變;針對車輛撞擊鋼結(jié)構(gòu)立體車庫，中國規(guī)范和歐洲規(guī)范中對汽車撞擊力的取值略顯不安全，而美國規(guī)范中對汽車撞擊力的取值較為安全.

關(guān)鍵詞：多尺度模型;立體車庫;汽車撞擊;動力響應(yīng);撞擊力

中圖分類號：TU248.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

文章編號：1674—2974（2019）01—0001—08

Abstract： To study the dynamic responses of a tridimensional parking structure subjected to vehicle impact， a multi-scale and refined finite element models of the tridimensional parking structure were established based on ANSYS/LS-DYNA finite element software. The accuracy and efficiency of these two models were compared， and the applicability of the multi-scale model was verified. Based on the multi-scale model， the dynamic responses of the tridimensional parking structures were examined， and the influences of various factors， such as the impact velocity， vehicle mass， impact position， and working condition were investigated. Additionally， the impact force was studied and compared with the allowances given in Chinese code， American code， and European code. The results indicate that the vehicle impact has a local effect on the tridimensional garage; the impact velocity and vehicle mass have a great influence on the dynamic responses of the tridimensional garage， while the impact position and working condition present no obvious effect; the impact velocity has a greater influence on the impact force. However， when the impacted column is failed， the peak value of the impact force would not change with the increase of the impact velocity and vehicle mass; for the tridimensional parking structure subjected to vehicle impact， the values of the impact force given in Chinese code and Europe code are not reliable in some cases， but the value given in American code is safe.

Key words： multi-scale model;tridimensional parking structure;vehicle impact;dynamic response;impact force

作為一種新型的停車設(shè)施，高層鋼結(jié)構(gòu)立體車庫能夠充分利用上部空間，可以有效緩解停車難的問題[1].然而隨著國內(nèi)機動車數(shù)量的增加，立體車庫遭受汽車撞擊的可能性也大大增加.車輛的撞擊事故可能會造成立體車庫的整體或局部產(chǎn)生較大變形，進而發(fā)生垮塌，其事故的出現(xiàn)會造成嚴重的后果.因此，對立體車庫在車輛撞擊作用下進行動力響應(yīng)研究是十分必要的.

目前，對立體車庫的研究主要集中在靜力及抗震性能方面[2-4].在研究撞擊方面，車輛撞擊的研究主要集中在撞擊防撞護欄和單根柱上[5-9].目前，國內(nèi)外大多使用ANSYS/LS-DYNA軟件對結(jié)構(gòu)的受撞擊性能進行研究[5-6].余敏[10]將汽車撞擊不同類型柱子的實驗結(jié)果與軟件的模擬結(jié)果進行了對比，驗證了ANSYS/LS-DYNA軟件的有效性與合理性.本文運用該軟件，對立體車庫在車輛撞擊作用下的動力響應(yīng)進行深入研究.

本文以垂直升降式鋼結(jié)構(gòu)立體車庫為研究對象.首先，對立體車庫進行多尺度和精細化建模，并將兩種模型進行對比，驗證多尺度模型的適用性.隨后，基于多尺度模型對立體車庫在撞擊作用下的動力響應(yīng)進行了研究，對影響結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的因素進行了參數(shù)化分析.進而對撞擊力進行了研究，并將撞擊力結(jié)果與各國規(guī)范進行了比較.

1? ?模型簡介

1.1? ?結(jié)構(gòu)算例

本文選用15層垂直升降式鋼結(jié)構(gòu)立體車庫作為研究對象，不同于一般的鋼結(jié)構(gòu)房屋，立體車庫的結(jié)構(gòu)內(nèi)部沒有樓板.其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示.車庫左右兩側(cè)停車區(qū)域的開間尺寸L1 = 2 400 mm，中間提升井的開間尺寸L2 = 3 000 mm，車輛進出方向的跨度尺寸L3 = 6 000 mm.車庫底層層高2 500 mm，其余上部層高均為2 200 mm.梁、柱均采用H型鋼，其截面尺寸分別為H150 × 100 × 6 × 9和H200 ×200 × 8 × 12;支撐采用截面尺寸為Φ100 × 3的圓形鋼管.鋼梁與柱之間為剛接，支撐與梁柱之間為鉸接.結(jié)構(gòu)平面內(nèi)沒有樓板，故將豎向荷載簡化為集中質(zhì)量分布在相應(yīng)節(jié)點上.立體車庫的上部荷載主要以提升的車重（2 t）為主，考慮到幕墻及提升設(shè)備的質(zhì)量，因此在角柱及中柱節(jié)點上添加0.8 t的集中質(zhì)量來考慮荷載效應(yīng)[3]，且在未特別說明上部工況時，均采用上部荷載滿布的布置方式.

1.2? ?立體車庫材料模型

高層鋼結(jié)構(gòu)立體車庫梁、柱的鋼材均使用塑性隨動模型（*MAT_PLACTIC_KINEMATIC），并采用Cowper-Symonds模型考慮材料的應(yīng)變率效應(yīng).支撐采用彈性材料（*MAT_ELASTIC），具體材料參數(shù)取值見表1[11-12].

1.3? ?立體車庫精細化與多尺度模型

建立立體車庫精細化模型時，梁、柱均采用殼單元（SHELL163）進行模擬，支撐全部采用梁單元（BEAM161）模擬，并釋放支撐與梁柱相交處的轉(zhuǎn)動自由度，按照實際構(gòu)造進行建模.由于底層為主要撞擊接觸區(qū)域，所以將底層柱單元網(wǎng)格劃分得更加細密.

建立立體車庫多尺度模型時[13-14]，由于一層和二層為撞擊區(qū)域，需要輸出塑性應(yīng)變和撞擊力等結(jié)果，故底部兩層的梁、柱單元均采用殼單元（SHELL163）模擬.三層及三層以上的梁、柱使用梁單元（BEAM161）進行模擬.支撐也同樣全部采用梁單元模擬，并釋放支撐與梁柱相交處的轉(zhuǎn)動自由度.在建立多尺度模型時，宏觀單元與微觀單元的界面連接方法有很多種.當不同種類單元的節(jié)點自由度相同時，可采用共用節(jié)點法來實現(xiàn)不同單元的連接[15].在LS-DYNA軟件中SHELL163殼單元和BEAM161梁單元的每個節(jié)點均具有12個自由度，所以可利用共用節(jié)點法對梁單元和殼單元進行連接.具體操作是，將梁單元插入到殼單元中至少一個殼單元長度，并共用節(jié)點[16].圖1（f）為立體車庫多尺度模型的局部圖及連接界面處的詳圖.

1.4? ?車輛模型（F800）

美國國家碰撞分析中心（NACA）著力于研究汽車碰撞試驗，NACA提供了各種汽車模型的K文件，這些汽車模型建立在大量汽車試驗和工程經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，具有較高的可信性.本文選用的雙軸卡車模型F800（質(zhì)量8 t）就下載自NACA網(wǎng)站.汽車的有限元模型如圖2所示.

1.5? ?接觸算法設(shè)置

在LS-DYNA中有單面接觸、點面接觸和面面接觸3種接觸面處理算法.本文中，汽車與立體車庫之間采用面面接觸，其中汽車定義為主接觸面，立體車庫定義為從接觸面，并考慮各自屈曲變形而發(fā)生的自身接觸，通過定義接觸形式和設(shè)置相關(guān)參數(shù)可以模擬真實的碰撞全過程.接觸面數(shù)值算法采用罰函數(shù)算法，即在每一個時間步，首先檢查各個從節(jié)點是否穿透主面，如沒有穿透則不作任何處理.若穿透，則在該從節(jié)點與被穿透的主面間引入一個較大的界面接觸力，其大小與接觸剛度和貫穿量成正比.這在物理上相當于在兩者之間放置一個法向彈簧，以限制從節(jié)點對主面的穿透.

2? ?多尺度模型與精細化模型對比

通過ANSYS/LS-DYNA軟件建立鋼結(jié)構(gòu)立體車庫多尺度模型和精細化模型，取質(zhì)量為8 t的F800以10 m/s的速度撞擊中柱為例，將2種模型的立體車庫在撞擊作用下的動力響應(yīng)和撞擊力進行對比分析，驗證多尺度模型的精準度及效率.

2.1? ?塑性應(yīng)變對比

通過后處理軟件（LS-PROPORST）對結(jié)構(gòu)的塑性應(yīng)變進行查看可知，2種模型塑性應(yīng)變的產(chǎn)生過程基本一致.在撞擊過程中，撞擊區(qū)域與柱腳區(qū)域先出現(xiàn)塑性應(yīng)變，隨后與柱腳相連的單元達到最大的塑性應(yīng)變而失效（LS-DYNA軟件中失效的單元會被自動刪除）.2種模型的最終塑性應(yīng)變基本相同，都集中在被撞柱的撞擊區(qū)域和柱腳區(qū)域.

2.2? ?結(jié)構(gòu)位移對比

結(jié)構(gòu)的位移可以直觀地反映出立體車庫的撞擊動力響應(yīng).取立體車庫各層處的節(jié)點作為研究對象，將2種模型的位移進行對比.圖3為2種模型的撞擊點位移時程曲線.圖4為2種模型的各層位移峰值曲線（曲線中第0層處的位移代表撞擊點的位移）.

通過對圖3和圖4進行分析可知，2種模型的撞擊點位移時程曲線十分吻合，撞擊點的位移峰值和峰值出現(xiàn)的時間十分相似，立體車庫各層的位移峰值也較為一致.所以2種模型的位移響應(yīng)較為吻合.

2.3? ?撞擊力對比

圖5為車輛撞擊下2種模型的撞擊力時程曲線.對比撞擊力時程曲線可知，2種模型的撞擊力峰值大小與曲線趨勢都十分相似，所以吻合度很高.

2.4? ?計算效率對比

立體車庫精細化模型單元數(shù)為72 164，多尺度模型單元數(shù)為13 048.多尺度模型的計算量明顯小于精細化模型，而2種模型的塑性應(yīng)變、結(jié)構(gòu)位移、撞擊力都十分吻合.所以認為，多尺度模型在提升計算效率的同時可以滿足精確度的要求.所以，對立體車庫在撞擊作用下的動力響應(yīng)進行深入分析時，均使用多尺度模型.

3? ?立體車庫的動力響應(yīng)分析

對立體車庫的動力響應(yīng)進行參數(shù)化分析，將影響動力響應(yīng)的各種因素進行逐一考慮，包括撞擊速度、撞擊質(zhì)量、撞擊位置和上部工況.

3.1? ?撞擊速度

質(zhì)量為8 t的F800分別在5 m/s、10 m/s、15 m/s和20 m/s的速度下撞擊鋼結(jié)構(gòu)立體車庫，對立體車庫在不同撞擊速度下的動力響應(yīng)進行分析.

3.1.1? ?塑性應(yīng)變及破壞形態(tài)

對不同撞擊速度下的立體車庫塑性應(yīng)變進行分析可知，結(jié)構(gòu)的破壞形態(tài)主要分為2種.

在5 m/s的撞擊速度作用下，立體車庫僅在被撞柱上出現(xiàn)了塑性應(yīng)變，但均未達到失效破壞，結(jié)構(gòu)的最終塑性應(yīng)變?nèi)鐖D6（a）所示;當撞擊速度為10 m/s時，立體車庫被撞柱腹板的部分單元失效，其余構(gòu)件均沒有產(chǎn)生塑性應(yīng)變，結(jié)構(gòu)的最終塑性應(yīng)變?nèi)鐖D6（b）所示.所以可認為當撞擊速度較小時，結(jié)構(gòu)的破壞形態(tài)為被撞柱的局部破壞.

在15 m/s的撞擊速度作用下，被撞柱柱腳區(qū)域的單元全部失效，導致被撞柱與地面分離而喪失承載能力，結(jié)構(gòu)的最終塑性應(yīng)變?nèi)鐖D6（c）所示;當撞擊速度為20 m/s時，由于速度較大，被撞柱完全失效后，車輛繼續(xù)向前移動，車廂繼續(xù)撞擊結(jié)構(gòu)，從而造成了更嚴重的結(jié)構(gòu)變形，結(jié)構(gòu)的最終塑性應(yīng)變?nèi)鐖D6（d）所示.所以可認為當撞擊速度較大時，結(jié)構(gòu)的破壞形態(tài)為被撞柱的整體破壞.兩種破壞形態(tài)下，塑性應(yīng)變的產(chǎn)生過程十分相似，但高速撞擊作用對結(jié)構(gòu)造成的塑性應(yīng)變遠大于低速撞擊作用.

立體車庫在汽車撞擊作用下產(chǎn)生的塑性應(yīng)變主要集中于被撞柱的撞擊區(qū)域、柱腳和柱頂區(qū)域，其余構(gòu)件的變形非常小.這是由于撞擊作用時間極短，結(jié)構(gòu)不能及時將能量傳播耗散.所以直接承受撞擊作用的構(gòu)件塑性應(yīng)變會突增甚至達到極限，從而造成損壞，但與撞擊作用無直接關(guān)聯(lián)的構(gòu)件變形很小，所以撞擊作用具有局部性.

3.1.2? ?位移分析

為了對比立體車庫在不同撞擊速度下的動力響應(yīng)，故選取立體車庫上各樓層處的節(jié)點作為研究對象，從節(jié)點的位移變化來反映結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)，第0層處的位移代表撞擊點的位移.圖7為4種撞擊速度作用下各層位移峰值曲線.通過分析可知，當撞擊速度一定時，結(jié)構(gòu)撞擊點處的位移峰值是最大的，各層的位移峰值大小隨著層數(shù)的增加呈現(xiàn)先減小后增大的變化規(guī)律.且撞擊速度越大，各層的位移峰值也隨之增大，結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)也就越大.

3.2? ?撞擊質(zhì)量

通過改變F800的貨物密度，可以對車質(zhì)量進行控制.分別取質(zhì)量為6 t、8 t、10 t、12 t和16 t的汽車，以10 m/s的速度撞擊鋼結(jié)構(gòu)立體車庫，對立體車庫在不同撞擊質(zhì)量下的動力響應(yīng)進行分析.

3.2.1? ?塑性應(yīng)變及破壞形態(tài)

分別在6 t、8 t和10 t的撞擊質(zhì)量作用下，在被撞柱上只有部分腹板單元在柱腳區(qū)域達到失效;在12 t和16 t的撞擊質(zhì)量作用下，被撞柱的部分腹板和翼緣單元在柱腳區(qū)域均有失效，但仍能繼續(xù)承擔上部荷載.撞擊作用對結(jié)構(gòu)的破壞隨著車質(zhì)量的增加而增加，但破壞增加的程度并不明顯，結(jié)構(gòu)的破壞形態(tài)均為被撞柱的局部破壞.

3.2.2? ?位移分析

圖8為不同撞擊質(zhì)量作用下各層的位移峰值曲線.通過分析可知，在5種撞擊質(zhì)量作用下，結(jié)構(gòu)各層的位移峰值曲線的趨勢相似.各層的位移峰值均隨撞擊質(zhì)量的增加而增加，這說明撞擊質(zhì)量越大，結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)越大.

3.3? ?撞擊位置

將車輛分別撞擊角柱和中柱的結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)進行分析.取質(zhì)量為8 t的F800，以15 m/s的速度分別撞擊鋼結(jié)構(gòu)立體車庫的角柱和中柱.

通過對結(jié)構(gòu)的塑性應(yīng)變進行查看可知，撞擊角柱和中柱時，立體車庫的塑性應(yīng)變產(chǎn)生過程基本一致，最終的塑性損傷也十分相似.故撞擊位置的變化對結(jié)構(gòu)的塑性應(yīng)變影響很小.圖9為不同撞擊位置作用下的各層位移峰值曲線.通過分析可知，在2種不同撞擊位置作用下，撞擊點的位移峰值相近，且峰值出現(xiàn)時間較為一致，說明結(jié)構(gòu)吸收的能量相近.但撞擊角柱時其下部樓層的位移峰值比撞擊中柱時小，這是由于撞擊位置的周圍約束不同而產(chǎn)生差別.撞擊角柱時，其撞擊方向上有支撐的約束作用，故其下部樓層的位移較小.

通過分析可知，撞擊位置的改變對結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的影響不是很大，但撞擊中柱時，結(jié)構(gòu)的下部樓層要相對薄弱一些.故在考慮影響立體車庫動力響應(yīng)的其他因素時，撞擊位置統(tǒng)一取為立體車庫中柱.

3.4? ?上部工況

取質(zhì)量為8 t的F800，以15 m/s的速度分別撞擊鋼結(jié)構(gòu)立體車庫.分別取全滿布、右側(cè)滿布和上端滿布3種工況，對比不同工況作用下結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng).結(jié)構(gòu)全滿布的工況為：每層的8個柱節(jié)點處均施加0.8 t的豎向集中質(zhì)量.右邊滿布的工況為：每層的右側(cè)4個柱節(jié)點處施加0.8 t的豎向集中質(zhì)量.上端滿布的工況為：1 ～ 7層空載，8 ～ 15層滿載.

通過分析結(jié)構(gòu)的塑性應(yīng)變可知，3種工況下結(jié)構(gòu)的塑性應(yīng)變產(chǎn)生過程基本一致，最終的塑性損傷基本相同.故工況的變化對結(jié)構(gòu)的塑性應(yīng)變影響很小.圖10為不同工況作用下各層位移峰值曲線.通過分析可知，3種工況下各層的位移峰值均相差很小，因此上部工況的變化對結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)影響較小，可以忽略.所以在考慮影響立體車庫動力響應(yīng)的其他因素時，將上部工況統(tǒng)一取為全滿布形式.

4? ?撞擊力分析

在進行汽車碰撞試驗和仿真的數(shù)據(jù)處理時，為了消除高頻噪聲，需要對得到的撞擊力結(jié)果進行濾波處理[17]，SAE—J211碰撞標準[18]中已給出相關(guān)的規(guī)定，所以通過ANSYS/LS-DYNA軟件得到的撞擊力結(jié)果，采用CFC60進行濾波處理.表2歸納了不同撞擊速度和質(zhì)量作用下的撞擊力峰值.此處的撞擊力峰值即為車輛在撞擊立體車庫過程中產(chǎn)生的界面接觸力最大值.

通過對表2進行分析可知，影響撞擊力的因素有撞擊速度和撞擊質(zhì)量.從撞擊力峰值增加的幅度上可知，撞擊速度的改變對撞擊力的影響較大.當撞擊速度分別為5 m/s和10 m/s時，撞擊力峰值隨著撞擊速度和撞擊質(zhì)量的增加而增加.當速度分別為15 m/s和20 m/s時，無論是增加撞擊速度還是質(zhì)量，撞擊力峰值幾乎不變.所以可認為當汽車的撞擊作用造成被撞柱破壞失效后，撞擊力峰值不再隨著撞擊速度和質(zhì)量的增加而變化.

4.1? ?撞擊力結(jié)果與各國規(guī)范對比

目前，還沒有規(guī)范對汽車撞擊立體車庫的撞擊力作出相關(guān)規(guī)定，所以將撞擊力結(jié)果與現(xiàn)有規(guī)范對汽車撞擊力的規(guī)定進行對比.中國的《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》[19]和《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》[20]，歐洲BS EN1991-1-7規(guī)范[21]以及美國AASHTO LRFD規(guī)范[22]中都給出了汽車碰撞的撞擊力取值，見表3.

當汽車速度分別為5 m/s和10 m/s時，4種規(guī)范中的汽車撞擊力取值都較為安全.當汽車速度分別增加到15 m/s和20 m/s時，撞擊力峰值達到1 090 kN左右，顯然大于中國規(guī)范和歐洲規(guī)范對汽車撞擊力的取值，故這2種規(guī)范中撞擊力的取值略顯不安全，而美國規(guī)范中撞擊力的取值較為安全.

5? ?結(jié)? ?論

通過ANSYS/LS-DYNA有限元軟件建立鋼結(jié)構(gòu)立體車庫多尺度模型與精細化模型，對2種模型在撞擊作用下的結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)及撞擊力進行了對比.分析了撞擊速度、撞擊質(zhì)量、撞擊位置和上部工況4種因素對結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的影響，并對撞擊力的結(jié)果進行歸納分析，主要結(jié)論為：

1）多尺度模型可以達到模擬的精確度要求，并且能夠大幅度提高計算效率.

2）車輛對立體車庫的撞擊作用具有局部性，撞擊的塑性損傷主要集中于被撞柱的撞擊區(qū)域、柱腳和柱頂區(qū)域，對與被撞柱無直接關(guān)聯(lián)的構(gòu)件影響很小.

3）撞擊速度和撞擊質(zhì)量對結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的影

響較大，撞擊位置與上部工況對其影響較小.撞擊速度和撞擊質(zhì)量越大，車庫的動力響應(yīng)越大.

4）撞擊速度的變化對撞擊力的影響最為明顯，且速度越大，撞擊力峰值越大.但當撞擊作用導致被撞柱失效后，撞擊力峰值不再隨撞擊速度和撞擊質(zhì)量的增加而改變.

5）將撞擊力結(jié)果與4種現(xiàn)行規(guī)范進行了對比，認為在汽車撞擊鋼結(jié)構(gòu)立體車庫時，中國規(guī)范和歐洲規(guī)范中對汽車撞擊力的取值略顯不安全，而美國規(guī)范中對汽車撞擊力的取值較為安全.

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