李昌彥，付曉東

(中國建筑科學(xué)研究院有限公司 混疑土設(shè)計(jì)部，北京 朝陽區(qū) 100013)

0 引言

近年來，鋼結(jié)構(gòu)建筑遭受沖擊、爆炸等偶然荷載作用的事件頻繁發(fā)生，如美國世貿(mào)大廈遭受飛機(jī)撞擊。鋼結(jié)構(gòu)建筑由于自重較輕，構(gòu)件塑性變形較大，因此在沖擊荷載作用下，結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的損傷勢必高于混凝土結(jié)構(gòu)。

而對于鋼結(jié)構(gòu)建筑而言，沖擊作用下，梁柱節(jié)點(diǎn)的耗能特性及能量傳遞對鋼框架整體穩(wěn)定性有顯著影響。因此，沖擊作用下，開展不同梁柱節(jié)點(diǎn)的鋼框架動(dòng)態(tài)響應(yīng)研究，準(zhǔn)確把握鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)在沖擊作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)機(jī)理，對鋼結(jié)構(gòu)建筑抗沖擊設(shè)計(jì)具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

鋼框架結(jié)構(gòu)在沖擊荷載作用下的力學(xué)性能備受學(xué)者關(guān)注，對于鋼框架結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)研究可集中在鋼構(gòu)件的抗沖擊性能研究、節(jié)點(diǎn)的抗沖擊性能研究以及結(jié)構(gòu)整體動(dòng)力響應(yīng)等方面。在鋼構(gòu)件方面，崔娟玲團(tuán)隊(duì)通過沖擊試驗(yàn)對H型鋼柱的抗沖擊性能進(jìn)行研究[1,2,3,4]，結(jié)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(dòng)力響應(yīng)的影響；霍靜思對4根熱軋H型鋼梁進(jìn)行了落錘撞擊試驗(yàn)[5]，通過記錄沖擊力時(shí)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(yīng)。在鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的抗沖擊性能研究方面，王海濤等人對狗骨式鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)的抗沖擊性能進(jìn)行試驗(yàn)研究[6]，分析了狗骨式梁柱節(jié)點(diǎn)的耗能能力以及內(nèi)力發(fā)展規(guī)律；宋玉華通過試驗(yàn)研究了狗骨式梁柱節(jié)點(diǎn)在低頻沖擊荷載下的抗沖擊性能[7]。在鋼框架結(jié)構(gòu)整體在沖擊作用下的動(dòng)力響應(yīng)研究方面，付朝江通過有限元模擬研究了鋼框架的倒塌機(jī)理[8,9]，認(rèn)為鋼框架倒塌發(fā)展分為三個(gè)階段：彈性階段、塑性和懸鏈線階段、懸鎖機(jī)構(gòu)階段。鋼框架最終由于梁轉(zhuǎn)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(jié)點(diǎn)形式的鋼框架動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律尚缺乏研究。

為了獲悉不同節(jié)點(diǎn)的鋼框架的動(dòng)力響應(yīng)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(jié)點(diǎn)形式的鋼框架，開展沖擊荷載作用下的鋼框架動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律研究，探究不同節(jié)點(diǎn)形式的鋼框架的動(dòng)力響應(yīng)差異以及塑性變形能的分布規(guī)律。

1 數(shù)值模擬

1.1 模型介紹

基于有限元軟件ABAQUS建立鋼框架的數(shù)值模型，分析不同節(jié)點(diǎn)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(jié)點(diǎn)。模型中采用三維實(shí)體單元(C3D8R)。建立的數(shù)值模型如圖1所示。

圖1 數(shù)值模型

在沖擊荷載作用下，由于鋼材的應(yīng)變率效應(yīng)，鋼材會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)度提高的特性。目前考慮鋼材應(yīng)變率效應(yīng)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(yīng)變率的動(dòng)力學(xué)問題，JC模型更傾向于計(jì)算高應(yīng)變率的動(dòng)力學(xué)問題。本模型中鋼材的應(yīng)變率相對較低，故采用CS模型考慮鋼材的應(yīng)變率效應(yīng)，即

(1)

1.2 材料參數(shù)及構(gòu)件尺寸參數(shù)

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(shù)如表1所示，構(gòu)件尺寸及節(jié)點(diǎn)示意圖如圖2所示。

表1 鋼材的基本物理參數(shù)

(a)鋼框架結(jié)構(gòu)尺寸示意圖

(b)焊接節(jié)點(diǎn)

(c)齊平式節(jié)點(diǎn)

(d)外伸式節(jié)點(diǎn)

2 結(jié)果分析

為探究不同節(jié)點(diǎn)形式的鋼框架在沖擊荷載下的動(dòng)力響應(yīng)，本文采用質(zhì)量為60kg的撞擊錘頭，以18m/s的速度側(cè)向撞擊H型鋼柱柱中位置，撞擊面為H型鋼柱強(qiáng)軸面。分析撞擊過程中接觸面的沖擊力，撞擊點(diǎn)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(jié)點(diǎn)的鋼框架撞擊面的沖擊力時(shí)間變化曲線，沖擊荷載作用時(shí)，撞擊面的沖擊力經(jīng)歷了大致三個(gè)階段，第一個(gè)階段為峰值階段，此時(shí)接觸面沖擊壓力迅速上升，達(dá)到最大值，然后進(jìn)入第二個(gè)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(shí)，錘頭與鋼柱撞擊點(diǎn)的速度差也達(dá)到最小，隨后撞擊點(diǎn)速度減小，錘頭與鋼柱接觸壓力再次增大，進(jìn)入第三個(gè)階段-穩(wěn)定階段，此過程沖擊壓力基本處于平穩(wěn)階段。

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

(a)焊接節(jié)點(diǎn)

(b)齊平式螺栓節(jié)點(diǎn)

(c)外伸式螺栓節(jié)點(diǎn)

2.2 撞擊點(diǎn)位移

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

(a)焊接節(jié)點(diǎn)

(b)齊平式螺栓節(jié)點(diǎn)

(c)外伸式螺栓節(jié)點(diǎn)

2.3 鋼框架塑性變形能分布

為探究不同節(jié)點(diǎn)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(jié)點(diǎn)的鋼框架的鋼柱、鋼梁以及整個(gè)鋼框架的塑性變形能變化數(shù)據(jù)，如圖5所示。由圖可知，三種節(jié)點(diǎn)形式的鋼框架系統(tǒng)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(jié)點(diǎn)形式的鋼框架中，三種節(jié)點(diǎn)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(jié)點(diǎn)變形來承擔(dān)。由此表明，鋼框架在沖擊過程中，沖擊能量主要由節(jié)點(diǎn)區(qū)域變形以及受撞擊構(gòu)件變形承擔(dān)，沖擊荷載作用于鋼框架上，只對鋼框架局部區(qū)域有影響，而非整個(gè)結(jié)構(gòu)。

節(jié)點(diǎn)區(qū)域變形耗能占據(jù)一定比重，并且不同類型的節(jié)點(diǎn)，其塑性變形耗能能力不同。不同節(jié)點(diǎn)對鋼柱的塑性耗能影響顯著。焊接節(jié)點(diǎn)的鋼框架柱塑性變形能最低，外伸式螺栓節(jié)點(diǎn)的鋼框架柱塑性變形能最高。由此可知，沖擊作用下，焊接節(jié)點(diǎn)吸收較大部分的塑性能，節(jié)點(diǎn)破壞相比螺栓節(jié)點(diǎn)來說更嚴(yán)重，而螺栓節(jié)點(diǎn)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(jié)點(diǎn)剛度較大，當(dāng)沖擊荷載作用于鋼柱時(shí)，鋼柱發(fā)生變形，在柱腳和節(jié)點(diǎn)區(qū)域發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，焊接節(jié)點(diǎn)區(qū)域轉(zhuǎn)動(dòng)較大，耗能較多，承擔(dān)了較大能量。在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，螺栓節(jié)點(diǎn)常常被簡化為鉸接點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)不傳遞彎矩，在沖擊荷載作用時(shí)，螺栓節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)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(dān)，螺栓節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的變形耗能十分有限。

(a)焊接節(jié)點(diǎn)

(b)齊平式螺栓節(jié)點(diǎn)

(c)外伸式螺栓節(jié)點(diǎn)

3 結(jié)語

第一，建立了不同節(jié)點(diǎn)形式的鋼框架數(shù)值模型，沖擊作用下，采用CS本構(gòu)模型能夠較好地反應(yīng)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程。

第二，節(jié)點(diǎn)形式對鋼框架在沖擊作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)有顯著影響，焊接節(jié)點(diǎn)能夠吸收較多的塑性變形能，因而節(jié)點(diǎn)的變形損害更為嚴(yán)重，而螺栓節(jié)點(diǎn)的耗能能力較弱，能量大部分由受撞擊的鋼柱承擔(dān)。因此建議設(shè)計(jì)中考慮采用外伸式螺栓節(jié)點(diǎn)，避免節(jié)點(diǎn)破壞，起到“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱桿件”的作用。

第三，鋼框架結(jié)構(gòu)中，沖擊力的作用范圍較低，只影響受撞擊構(gòu)件以及相鄰的梁柱節(jié)點(diǎn)，對節(jié)點(diǎn)連接的相鄰構(gòu)件的影響較低。