曲艷東，張迪迪，李正鵬，秦彥帥

(1.遼寧工業(yè)大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001；2.大連民族大學(xué)土木工程學(xué)院，遼寧 大連 116650)

爆炸沖擊強(qiáng)度大，作用時間短，對結(jié)構(gòu)的破壞力較強(qiáng)[1-3]，且具有局部性[4]等顯著特點(diǎn)。在爆炸荷載作用下部分結(jié)構(gòu)和節(jié)點(diǎn)會發(fā)生破壞，嚴(yán)重時會引起整體結(jié)構(gòu)的連續(xù)性倒塌。因此，結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的抗爆研究受到了廣泛的關(guān)注。Sabuwala[5]數(shù)值模擬了邊界完全固定的節(jié)點(diǎn)在爆炸荷載下的力學(xué)性能，并指出TM 5-1300 規(guī)范中對鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)在爆炸荷載下的力學(xué)性能規(guī)定有不足之處，給出了具體的修改建議。Izzuddin等[6]采用有限元方法研究了鋼框架結(jié)構(gòu)在爆炸沖擊和火災(zāi)作用下的響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)了爆炸荷載作用下結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力與整體結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系不大，一定范圍內(nèi)與受力構(gòu)件的剛度有關(guān)。張秀華等[7]數(shù)值模擬了鋼框架焊接節(jié)點(diǎn)在爆炸荷載作用下的動力響應(yīng)問題，得出了節(jié)點(diǎn)在不同爆炸荷載作用下的動力響應(yīng)特性。Girum等[8]研究成果是，在加強(qiáng)梁、柱端點(diǎn)情況下的節(jié)點(diǎn)和水平加強(qiáng)板的節(jié)點(diǎn)比標(biāo)準(zhǔn)型節(jié)點(diǎn)有更好的抗爆性能。譚繼可[9]利用ABAQUS對爆炸荷載作用下的十字鋼框架節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)值模擬，同時還指出在以后的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)選用對結(jié)構(gòu)防爆性能有利的材料，并采取相應(yīng)的措施提高結(jié)構(gòu)的整體延性，以此減少爆炸荷載對結(jié)構(gòu)的破壞程度。綜上所述，目前國內(nèi)外雖然開展了節(jié)點(diǎn)在爆炸荷載作用下的動力響應(yīng)研究，也取得了一定的研究進(jìn)展，但是鮮有對爆炸荷載作用下不同連接方式(如狗骨式連接和端板螺栓式連接)時的鋼框架梁、柱節(jié)點(diǎn)處的動力學(xué)性能差異性研究。

基于此，本文介紹了利用ANASYS/LS-DYNA軟件對爆炸荷載作用下的鋼梁進(jìn)行數(shù)值模擬的研究過程，并與Amr[10]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，以此驗(yàn)證模型和所用材料參數(shù)的合理性。然后闡述了爆炸荷載作用下鋼框架梁、柱節(jié)點(diǎn)采用狗骨式和端板螺栓式連接時節(jié)點(diǎn)處的受力性能，對比分析兩種連接方式對梁、柱節(jié)點(diǎn)抗爆性能的影響。

1 有限元模型

1.1 節(jié)點(diǎn)模型和材料參數(shù)

為了研究在爆炸荷載作用下狗骨式連接節(jié)點(diǎn)和端板螺栓連接節(jié)點(diǎn)區(qū)域的動力學(xué)性能，鋼框架結(jié)構(gòu)所采用的鋼梁和鋼柱均為H截面型鋼。材料模型為*MAT_PLASTIC_KINEMATIC。鋼框架結(jié)構(gòu)所采用的鋼梁和鋼柱的尺寸如圖1所示。

圖1 截面尺寸Fig.1 Section dimension

1)狗骨式節(jié)點(diǎn)。采用圓弧型狗骨式節(jié)點(diǎn)，是因?yàn)閳A弧型應(yīng)力集中較輕，延性好，施工方便(見圖2a)，其中起始削弱點(diǎn)到柱表面距離B為70 mm，寬度C為130 mm，深度A為25 mm，圓弧半徑R為97 mm。在柱端設(shè)置加勁肋，厚度為10 mm。狗骨式節(jié)點(diǎn)的有限元模型如圖2b所示，暫不考慮焊接質(zhì)量的影響。對模型采用自由網(wǎng)格劃分。

圖2 狗骨式節(jié)點(diǎn)Fig.2 Dog-bone connection

2)端板螺栓節(jié)點(diǎn)。該節(jié)點(diǎn)是典型的半剛性節(jié)點(diǎn)。本文主要討論外伸加腋式的端板螺栓連接節(jié)點(diǎn)(見圖3)，在柱腹部板設(shè)有加勁肋，能夠傳遞臨近梁、柱的大部分彎矩。它由一塊矩形端板與梁截面通過焊接相連，端板與柱的翼緣之間通過高強(qiáng)螺栓連接。端板的高度等于梁的高度加上90 mm，兩端各伸出45 mm，端板的寬度等于梁的寬度。在端板和梁翼緣上的加腋板其高45 mm，寬90 mm，厚8 mm。螺栓采用10.9級高強(qiáng)度螺栓M12，螺母頭部直徑22 mm，螺桿直徑12 mm，螺栓孔直徑14 mm，螺栓孔與螺桿間隔2 mm，端板上螺栓的間距如圖3a所示，建立端板螺栓連接節(jié)點(diǎn)的有限元模型如圖3b所示，不考慮焊接影響。對10.9級高強(qiáng)大六角螺栓模型簡化為圓形，不考慮螺紋。

圖3 端板螺栓節(jié)點(diǎn)Fig.3 Bolted endplate connection

3)材料參數(shù)。鋼材的應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系直線采用MAT_PLASTIC_KINEMATIC模型，鋼梁和鋼柱的參數(shù)如表1所示。

表1 鋼材的參數(shù)

1.2 施加荷載

在對爆炸荷載作用下的鋼梁、鋼柱進(jìn)行有限元數(shù)值模擬分析時，爆炸荷載的施加利用CONWEP經(jīng)驗(yàn)算法，并且采用關(guān)鍵字*LOAD_BLAST來定義。爆炸距離為10.30 m，炸藥藥量為50 kg(TNT當(dāng)量)。根據(jù)模型的對稱性，建立1/2模型來分析。對鋼梁跨中截面施加對稱約束，對鋼柱上、下面施加平動約束。

1.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

以Amr所做的爆炸實(shí)驗(yàn)中編號為1B3的梁[10]為基礎(chǔ)，通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證有限元模擬所用材料參數(shù)和模擬方法的合理性。在鋼梁的數(shù)值模擬中，鋼梁的長度為2 400 mm，橫截面尺寸如圖1所示。剛性墊塊的尺寸長100 mm，寬100 mm，厚10 mm，放置在鋼梁的兩側(cè)。鋼梁的材料模型采用MAT_PLASTIC_KINEMATICBENWE，剛性墊塊定義為剛體材料。鋼梁選用Q235鋼，其材料參數(shù)如表1所示。采用自由網(wǎng)格劃分，保證結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性。爆炸荷載則運(yùn)用CONWEP經(jīng)驗(yàn)算法，用*LOAD_BLAST來定義，炸藥藥量50 kg，爆炸距離為10.30 m。鋼梁在爆炸荷載作用下跨中節(jié)點(diǎn)的位移時程如圖4所示，當(dāng)鋼梁的跨中位移達(dá)到最大值后，由于鋼材自身材料屬性，鋼梁回彈，跨中位移減小，模擬值回彈并至正向位移，實(shí)驗(yàn)值雖然有所回彈，但是趨勢較為緩慢。實(shí)驗(yàn)值最大位移出現(xiàn)在5.5 ms時刻，而模擬值最大位移出現(xiàn)在3.9 ms時刻。模擬結(jié)果中鋼梁的最大位移值為6.49 mm，和實(shí)驗(yàn)值的誤差為5.94%。因此，數(shù)值模擬選取的材料參數(shù)和模擬方法可用于鋼結(jié)構(gòu)在爆炸荷載作用下的動力學(xué)性能研究。

圖4 爆炸荷載作用下鋼梁跨中位移時程Fig.4 Midspan displacement-time history of the steel beam under blasting load

2 結(jié)果與討論

2.1 節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分析

不同時刻鋼框架梁、柱節(jié)點(diǎn)分別采用狗骨式和端板螺栓式的連接方式時，節(jié)點(diǎn)附近的應(yīng)力云圖如圖5所示。在360s時，狗骨式節(jié)點(diǎn)的各截面應(yīng)力均小于屈服應(yīng)力，處于彈性階段，并且在梁上、下翼緣根部和梁腹板處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，此時狗骨削弱處的應(yīng)力小于節(jié)點(diǎn)根部應(yīng)力；而對于端板螺栓式節(jié)點(diǎn)，柱右側(cè)翼緣第1排螺栓孔處發(fā)生了塑性應(yīng)變，在端板的第1排螺栓孔和第1排螺栓均出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。在1 980s時，狗骨式節(jié)點(diǎn)的鋼梁根部部分截面的應(yīng)力大于屈服應(yīng)力，使得一定區(qū)域內(nèi)發(fā)生塑性應(yīng)變，這時狗骨削弱處的應(yīng)力逐漸增加，但仍低于屈服應(yīng)力，在鋼梁上、下翼緣根部和狗骨削弱處產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象；端板螺栓式節(jié)點(diǎn)的鋼柱右側(cè)翼緣和端板的第1排螺栓孔處產(chǎn)生了塑性應(yīng)變。此時，所有的螺栓孔周圍均出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，且越接近中心應(yīng)力越大，加腋鋼板處也發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，并隨著時間逐步擴(kuò)大到加腋鋼板周圍的梁翼緣和腹板處，第1排螺栓在靠近螺帽部分出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。在3 060s時，狗骨式削弱處部分截面已出現(xiàn)較為明顯的塑性應(yīng)變，狗骨削弱處的應(yīng)力已明顯增加，并且根部和削弱處的應(yīng)力都大于屈服應(yīng)力，進(jìn)入了塑性階段。在爆炸荷載作用下，狗骨削弱處的應(yīng)力迅速增加并進(jìn)入塑性階段，耗能階段從節(jié)點(diǎn)根部轉(zhuǎn)移向狗骨削弱處；端板螺栓式節(jié)點(diǎn)的鋼柱右翼緣和端板上第1排螺栓孔處的塑性應(yīng)變區(qū)域在螺栓孔周圍擴(kuò)大，當(dāng)?shù)?排螺栓受到的應(yīng)力大于螺栓的屈服應(yīng)力時開始產(chǎn)生塑性應(yīng)變。

圖5 鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力云圖Fig.5 Stress nephogram at the beam-column joint of steel frame

總之，狗骨式節(jié)點(diǎn)可將節(jié)點(diǎn)根部的塑性鉸轉(zhuǎn)移到狗骨削弱處，從而有效進(jìn)行塑性耗能，還能提高節(jié)點(diǎn)延性；而端板螺栓式節(jié)點(diǎn)因?yàn)槁菟ū憩F(xiàn)出較低的塑性，使得端板螺栓連接產(chǎn)生的變形有限，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的承載能力低于約束鋼梁承載力，使得端板螺栓式節(jié)點(diǎn)具有較低的承載力。

2.2 梁跨中位移對比分析

在相同爆炸荷載作用下，狗骨式節(jié)點(diǎn)和端板螺栓節(jié)點(diǎn)的梁跨中節(jié)點(diǎn)位移時程如圖6所示。在爆炸荷載作用下，狗骨式節(jié)點(diǎn)和端板螺栓節(jié)點(diǎn)的鋼梁均發(fā)生豎向位移。梁跨中節(jié)點(diǎn)在開始時的位移時程變化趨勢相同，逐漸發(fā)展后狗骨式節(jié)點(diǎn)先于端板螺栓式節(jié)點(diǎn)到達(dá)最大撓度6.35 mm，而端板螺栓式節(jié)點(diǎn)后到達(dá)最大撓度5.75 mm，位移逐漸回彈。當(dāng)采用狗骨式節(jié)點(diǎn)連接鋼梁到達(dá)最大位移時，節(jié)點(diǎn)附近的大部分截面的應(yīng)力超過屈服應(yīng)力進(jìn)入塑性階段，而端板螺栓式節(jié)點(diǎn)則將應(yīng)力轉(zhuǎn)移至螺栓和端板上，螺栓的低塑性使得鋼梁的變形更小?？傊谙嗤谋ê奢d作用下，端板螺栓式節(jié)點(diǎn)抵抗豎向變形的能力優(yōu)于狗骨式節(jié)點(diǎn)。

圖6 不同連接方式時鋼梁跨中節(jié)點(diǎn)位移時程Fig.6 Mid-span displacement-time history of the steel beam for the beam-column joint with different link methods

3 結(jié)論

1)在相同爆炸荷載作用下，狗骨式節(jié)點(diǎn)區(qū)域的最大應(yīng)力遠(yuǎn)低于端板螺栓節(jié)點(diǎn)時的最大應(yīng)力，但是采用狗骨式節(jié)點(diǎn)連接時梁跨中最大撓度卻比采用端板螺栓節(jié)點(diǎn)連接時的大。

2)由于采用狗骨式連接時將鋼梁翼緣進(jìn)行一定的削弱，這會使塑性屈服較早的出現(xiàn)在鋼梁翼緣削弱處，并繼續(xù)擴(kuò)展，從而使較長的一段的鋼梁進(jìn)入塑性階段，共同進(jìn)行塑性耗能，可以有效保護(hù)節(jié)點(diǎn)，充分發(fā)揮鋼材的塑性。狗骨式連接雖然對節(jié)點(diǎn)的承載力影響不大，但卻改善了節(jié)點(diǎn)的延性和耗能能力。

3)端板螺栓式連接將應(yīng)力轉(zhuǎn)移至端板及高強(qiáng)度螺栓上，由于高強(qiáng)螺栓的屈服強(qiáng)度高，能承受更多的應(yīng)力，使得鋼梁產(chǎn)生更少的塑性應(yīng)變，且跨中節(jié)點(diǎn)的位移更小，端板螺栓式連接的承載能力和塑性變形能力優(yōu)于狗骨式連接。