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        爆炸荷載作用下鋼桁架收費(fèi)雨棚的動力響應(yīng)與破壞模式

        2021-01-28 11:02:52郭晉欣張金香崔永林王天新
        山東交通科技 2020年6期
        關(guān)鍵詞:模型

        郭晉欣,張金香,崔永林,王天新

        (1.山東省交通規(guī)劃設(shè)計院有限公司,山東 濟(jì)南 250031;2.齊魯高速公路股份有限公司,山東 濟(jì)南 250101)

        引言

        近年來國內(nèi)、外恐怖襲擊事件頻繁發(fā)生,給國家發(fā)展和人民的生命財產(chǎn)造成了巨大的損失。在各種突發(fā)性強(qiáng)烈爆炸荷載作用下如何有效防護(hù)各類結(jié)構(gòu)構(gòu)件免遭破壞甚至倒塌,并將可能發(fā)生的生命和財產(chǎn)損失降至最低,己經(jīng)成為擺在我們面前亟待解決的一項重要而現(xiàn)實(shí)的課題[1]。為此,國內(nèi)外專家、學(xué)者在這方面做出了一些研究,文獻(xiàn)[2-3]分析了在爆炸沖擊荷載作用下鋼材的本構(gòu)關(guān)系和動力性能;文獻(xiàn)[4]主要研究平板網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在不同支撐柱的布置形式的情況下,受到室外爆炸荷載作用時的動態(tài)響應(yīng)和破壞倒塌模式。

        1 本構(gòu)模型

        在收費(fèi)雨棚模擬過程中,采用ANSYS/LS-DYNA材料模型庫中與應(yīng)變率有關(guān)的隨動塑性材料模型,應(yīng)變率按照Cowper-Symonds(簡稱C-S模型)考慮,屈服應(yīng)力:

        式中:σ0—初始屈服應(yīng)力,Pa;ε—應(yīng)變率;C、P—C-S模型應(yīng)變率參數(shù),取C=40 s-1,P=5[7]; —有效塑性應(yīng)變;Ep—塑性硬化模量,由計算確定:

        選用鋼材基本參數(shù)見表1。

        表1 鋼材材料參數(shù)

        2 爆炸荷載作用下收費(fèi)雨棚的動力響應(yīng)和破壞模式

        2.1 計算模型

        濟(jì)南某收費(fèi)站收費(fèi)雨棚整個結(jié)構(gòu)上部采用管桁架,下部采用圓管柱支撐,見圖1。因結(jié)構(gòu)為左右完全對稱結(jié)構(gòu),本節(jié)取與雨棚柱相連的半榀管桁架作為幾何模型。單榀管桁架模型為四邊形桁架,榀桁架寬1.2 m,高1.2 m,每榀桁架總長82.6 m。桁架是由兩根上弦(D159×8)和兩根下弦(D159×8)以及與上下弦桿件相貫的腹桿(D83×4、D114×5)連接組成的平行四邊形的空間桁架,又由四根圓管支撐(D273×16)與雨棚柱(D660×16)連接在一起,雨棚所用管件材質(zhì)均為Q235。雨棚管件見表2。

        圖1 濟(jì)南某收費(fèi)雨棚結(jié)構(gòu)布置/mm

        表2 雨棚管件

        應(yīng)用ANSYS/LS-DYNA軟件進(jìn)行數(shù)值模擬時,采用beam161單元,材料模型采用等向隨動強(qiáng)化Plastic Kinematic模型,分別模擬雨棚邊柱、中柱承受爆炸荷載作用時雨棚的動力響應(yīng)。爆炸荷載典型超壓時程曲線見圖2,爆炸荷載作用時間為0.3~1.5 s;在雨棚上弦施加均布恒載、活荷載,荷載值為2 340 N,作用時間為 0~1.5 s。

        2.2 動力響應(yīng)

        雨棚邊柱、中柱承受200 kN/m爆炸荷載作用時,特征節(jié)點(diǎn)(A1為懸臂端節(jié)點(diǎn),B1017為16.5 m跨中節(jié)點(diǎn),C2370為27.6 m跨中節(jié)點(diǎn))Z向位移-時程曲線見圖3、圖4,由此判斷該工況下不同柱子位置對結(jié)構(gòu)抗爆性能的影響。

        圖2 爆炸典型超壓時程曲線[5]

        圖3 邊柱為受爆柱時特征節(jié)點(diǎn)Z方向位移-時程曲線

        圖4 中柱為受爆柱時特征節(jié)點(diǎn)Z方向位移-時程曲線

        當(dāng)邊柱與中柱分別為受爆柱時,雖然邊柱和中柱皆為圓形截面,并且截面尺寸一致,但由于邊柱與中柱的邊界條件不同以及柱頂承受的豎向荷載的差異,在承受爆炸荷載的作用時,特征節(jié)點(diǎn)的豎向位移-時程曲線存在一定的差異。(1)邊柱為受爆柱時,懸臂端節(jié)點(diǎn)1最大位移為-142.27 mm;跨中節(jié)點(diǎn)B1017最大位移為-49.39 mm;節(jié)點(diǎn)C2370 Z向位移第一峰值為27.50 mm。(2)當(dāng)中柱為受爆柱時,懸臂端節(jié)點(diǎn)1最大位移為33.10 mm;跨中節(jié)點(diǎn)B1017最大位移為-42.78 mm;而跨中節(jié)點(diǎn)C2370 Z向最大位移值為-85.97 mm。由此可知,當(dāng)中柱直接承受爆炸荷載時,對跨中造成的影響要大于邊柱為受爆柱時造成的影響,所以雨棚在該工況下發(fā)生破壞極有可能是由于中柱附近桿件的屈曲破壞引起的。

        2.3 破壞模式

        雨棚邊柱、中柱在250 kN/m、245 kN/m的爆炸沖擊荷載作用下,t=0.639 s時的應(yīng)力云圖見圖5、圖6??芍?,當(dāng)t=0.639 s時,柱腳和跨中的應(yīng)力隨著爆炸荷載的增加而持續(xù)增大,柱跨中出現(xiàn)局部屈曲現(xiàn)象,而桁架也有較為明顯的變形,并且在與受爆柱相連的腹桿出現(xiàn)了屈曲現(xiàn)象。由此可知,雨棚在該工況爆炸荷載作用下,柱腳發(fā)生剪切破壞、與桁架相連1~2單元格桿件發(fā)生屈曲破壞,是導(dǎo)致單榀桁架發(fā)生整體倒塌的主要原因。

        圖5 邊柱為受爆柱時雨棚應(yīng)力云圖

        圖6 中柱為受爆柱時雨棚應(yīng)力云圖

        3 結(jié)語

        (1)在爆炸荷載作用下,中柱在受到爆炸荷載作用時對跨中產(chǎn)生的破壞比邊柱的影響更大。(2)該工況下雨棚柱腳及與雨棚柱相連的1~2單元區(qū)域內(nèi)桿件較為薄弱,未來設(shè)計時可增大與雨棚柱相連桁架1~2單元格內(nèi)弦桿壁厚及腹桿截面尺寸,以達(dá)到增強(qiáng)其抗爆性能的目的;對于雨棚柱柱腳可采取在柱腳區(qū)域澆筑混凝土防撞墩的措施,增加柱腳剛度。

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