爆炸荷載作用下鋼框架節點的動力響應分析

張秀華　李萬成

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江哈爾濱　150040)

爆炸荷載作用下鋼框架節點的動力響應分析

張秀華李萬成

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江哈爾濱150040)

摘要:利用大型有限元軟件ANSYS/LS-DYNA，對鋼框架焊接節點在爆炸荷載作用下的動力響應進行了數值模擬，通過分析節點區位移時程曲線，得出節點在不同爆炸荷載作用下的動力響應特性，指出在爆炸荷載作用下，框架節點端部位移快速達到最大值，而后振動恢復至平衡位置，爆炸峰值壓力越大，節點區梁柱最大位移和殘余位移越大。

關鍵詞:鋼框架節點，爆炸荷載，動力響應，數值模擬

0　引言

近年來，各種類型的爆炸在世界各國頻繁發生，爆炸沖擊波作用對建筑結構會產生嚴重的破壞作用和很大的殺傷力［1］。因此，對結構的抗爆性能課題的研究在工程領域已逐漸成為一個重要的研究方向［2，3］。Sabuwala［4］等對邊界完全固定的節點在爆炸荷載下做了有限元分析，分析結果指出了TM 5—1300規范對鋼結構節點在爆炸荷載下的不足之處，并提出了修改建議。Urgessa［5］等對鋼框架結構在爆炸荷載下做了有限元分析，對比了3種不同類型的節點動力響應，得出了3種節點的優缺點。Daryan［6］等對上下翼緣角鋼連接的節點在爆炸荷載下做了有限元分析，討論了在爆炸荷載作用下節點的破壞模式以及適用性。

本文采用顯式動力分析軟件ANSYS/LS-DYNA，研究鋼框架焊接節點在爆炸荷載作用下的動力響應，為研究鋼結構抗爆設計提供參考。

1　有限元模型的建立

1.1爆炸荷載作用下鋼材的本構關系

鋼材在常溫靜載情況下，所使用的本構關系一般不考慮應變速率的影響。但是在實際情況下，鋼材的力學性能或多或少受應變速率的影響，特別是在受爆炸荷載等動載作用下，應變速率的影響非常顯著［7］。本文鋼梁和鋼柱采用焊接工字型截面，鋼材為Q345B，采用等向隨動強化模型和Von-mises屈服準則。鋼材按Cowper-Symonds方式考慮應變率效應對材料屈服強度的影響［8］，見式( 1) :

其中，σd為動態屈服應力;σy為靜態屈服應力;為等效塑性應變。具體參數取值見表1。

表1　材料參數表

1.2模型尺寸及相關參數

鋼框架節點形式有多種，現在常用的鋼框架節點形式，按受力特性分為:鉸接、半剛性連接和剛性連接;按其加工工藝又可分為:全焊接連接、螺栓連接、鉚釘連接和栓焊混合連接等［9］。本文采用焊接連接形式的節點為例，如圖1所示建立有限元模型。本文所選框架結構的層高為3 m，柱網尺寸為6 m×6 m。鋼梁和鋼柱采用焊接工字型截面，單元類型采用Shell163單元，有限元模型如圖2所示。

圖1　鋼框架節點模型圖

圖2　有限元模型

1.3荷載及約束條件

梁柱主要受力有:柱自重、梁上活載與恒載和爆炸荷載，在柱頂施加N =0.3Ncr=558 kN的豎向荷載，其中Ncr=1 860 kN，為柱子軸心受壓穩定承載力，梁的上翼緣施加4 kN/m2的均布荷載，梁的上翼緣單元和柱的上部分翼緣單元施加爆炸荷載。并對柱頂端和底部加以水平滾動鉸支座，梁端部加以豎向滾動鉸支座。

爆炸荷載產生的沖擊波很復雜，為了便于計算，研究人員對爆炸壓力時程曲線做了不同形式的簡化，本文采用簡化成三角形沖擊荷載形式，爆炸沖擊波荷載表達形式為［10］:

式中: Ps——爆炸沖擊波超壓峰值;

td——爆炸持續時間。

2　計算結果分析

選取3種不同爆炸荷載，荷載1的超壓Ps=2.5 MPa，沖量I = 30 MPa· ms;荷載2的超壓Ps=5 MPa，沖量I =40 MPa·ms;荷載3的超壓Ps=7.5 MPa，沖量I =50 MPa· ms。圖3，圖4分別給出了焊接連接節點區梁端部翼緣邊緣的豎向位移時程曲線和柱端部翼緣邊緣的水平位移時程曲線。

從圖3，圖4可以看出，隨著爆炸荷載的施加，鋼框架梁柱開始快速變形，梁柱最大位移幾乎發生在爆炸荷載超壓峰值之時。當爆炸荷載超壓峰值和沖量較小時，梁柱端點位移快速達到峰值，而后恢復至平衡位置并在平衡位置振動，表現為彈性階段;隨著爆炸荷載超壓峰值和沖量的繼續增大，梁柱端點位移峰值不斷增大，梁柱端點位移從峰值恢復至平衡位置后，仍有殘余位移存在，表現為彈塑性階段;繼續增加爆炸超壓峰值和沖量，梁柱端點位移快速達到最大值之后，梁柱端點位移峰值和殘余位移比較接近，并且振動減弱，表現為塑性破壞階段。

圖3　梁端部翼緣邊緣豎向位移時程曲線

圖4　柱端部翼緣邊緣水平位移時程曲線

3　結語

利用ANSYS/LS-DYNA顯示動力有限元分析軟件，對焊接連接形式的節點在爆炸荷載作用下進行動力響應模擬分析，由節點的變形特點可以得出:

1)利用ANSYS/LS-DYNA有限元軟件，能夠很好地模擬爆炸荷載作用下鋼框架焊接節點的動力響應，對節點進行動力分析是可行的。

2)在爆炸荷載作用下，節點區位移快速達到峰值，而后恢復至平衡位置，并在平衡位置振動。爆炸超壓峰值和沖量越大，節點位移峰值和殘余位移越大。

參考文獻:

［1］汪明.爆炸荷載作用下鋼結構損傷機理及砌體墻破碎過程研究［D］.天津:天津大學，2010.

［2］張守中.爆炸基本原理［M］.北京:國防工業出版社，1988.

［3］周聽清.爆炸動力學及其應用［M］.合肥:中國科學技術大學出版社，2001.

［4］Sabuwala T，Linzell D，Krauthzmmer T.Finite element analysis of steel beam to column connections subjected to blast loads ［J］.International Journal of Impact Engineering，2005，31( 7) : 861-876.

［5］Urgessa G S，Arciszewski T.Blast response comparison of multiple steel frame connections［J］.Finite Elements in Analysis and Design，2011，47( 7) :668-675.

［6］Daryan A S，Ziaei M，Sadrnejad S A.The behavior of top and seat bolted angle connections under blast loading［J］.Journal of Constructional Steel Research，2011，67( 10) :1463-1474.

［7］辛志強.爆炸與火災聯合作用下結構鋼本構關系研究［D］.沈陽:沈陽建筑大學，2012.

［8］John O Hallquist.LS-DYNA keyword user’s manual［M］.Livermore California: Livermore Software Technology Corporation，2006.

［9］許建勛.鋼框架節點受力性能及其對框架受力性能影響研究［D］.杭州:浙江工業大學，2002.

［10］張秀華，張宇，段忠東，等.爆炸荷載作用下鋼柱的動力響應與影響因素分析［J］.防災減災工程學報，2014( 1) : 73-77，84.

The dynamic response analysis of steel frame joints subjected to blast loads

Zhang Xiuhua Li Wancheng
( College of Civil Engineering，Northeast Forestry University，Harbin 150040，China)

Abstract:The ANSYS/LS-DYNA software is used to set up the steel frame joints models and analyze the responses subjected to blast loads.The dynamic response characteristics of joints under different blast loads were obtained through analysis of displacement time history curves of joints.The paper points out that under blast loads，the joints displacement quickly reach the maximum value，and then decrease to the equilibrium position.The displacement maximum value and residual displacement of column and beam increase with the increase of blast loads.

Key words:steel frame joints，blast load，dynamic response，numeric simulation

作者簡介:張秀華(1970-)，女，碩士生導師，副教授;李萬成(1990-)，男，在讀碩士

收稿日期:2015-11-22

文章編號:1009-6825( 2016) 04-0019-03

中圖分類號:TU323.5

文獻標識碼:A