沖擊荷載下金屬填充梁柱鋼節點動力學分析①

(1.安徽建筑大學土木工程學院，安徽 合肥 230000;2.安徽水安建設集團股份有限公司,安徽 合肥 230000)

0 引 言

胞元金屬材料[1](Cellular metal)作為一種結構功能性材料，具有較好的抗震耗能、隔聲隔熱性能，由于其優異的服役性能，現已作為構件填充料廣泛應用于建筑、機械、國防工程等領域[2-5]。在建筑工程中，板狀胞元金屬材料上下面復合鋼板，制作成夾芯復合材料，可極大地改善板材的抗彎抗壓性能[2-6]。填充物力學性能，如相對密度、基材參數等，將導致鋼構件的屈曲失穩類型從整體歐拉屈曲向局部皺曲過渡[7]。為使填充鋼結構的抗彎性能最優，張勇、Zong Wang等[8-10]利用Kriging技術對填充物材料拓撲結構進行優化，分析結果顯示梯度胞元金屬填充物可以使鋼結構整體抗彎性到達最優。另一方面，為提升鋼結構在沖擊荷載下的力學性能，Yonghui Wang等[11-13]學者分別嘗試了三種不同的技術方案：構件剛性加固、緩沖防護部件和填充芯料，這些方案在相應工況下皆可顯著提升鋼結構構件的沖擊服役性能。因此，研究鋼構件的沖擊響應并制定相應措施，對鋼結構建筑的發展和工程防護起到積極的作用。

以現有薄壁管狀節點沖擊試驗[14]為基礎，利用已有文獻中胞元金屬緩沖材料[3]為依據，將胞元金屬緩沖材料填充至薄壁金屬管內，以此來緩沖芯料鋼節點在不同沖壓速度下的失效類型及其力學特性。運用有限元分析法，分別模擬不同沖擊工況下填充胞元金屬材料鋼節點的動力學性能和沖擊響應。為鋼結構建筑節點在災害防護及極端工況下的結構設計提供相關依據。

1 節點概況

1.1 節點裝配

節點型式參照文獻[14]中的節點構型采用十字形鋼節點，為符合工程工況將試樣尺寸進行適當調整。節點示意圖及其尺寸如圖1所示。對于金屬芯料而言，現有研究表明將金屬胞元按照特定規則進行整合可使整體材料滿足胞元金屬“三階段”應力變化曲線[5]，采用六面體金屬薄壁胞元，組裝成節點芯料。同時，為符合胞元金屬材料的拓撲結構隨機性，采用隨機移除算法將胞元進行隨機移除，芯料示意圖如圖2所示。

1.2 模型建立

按照節點詳圖，運用有限元分析軟件ANSYS Ls-dyna建立3種節點模型：傳統鋼節點、芯料填充節點和“強柱弱梁”型填充節點 (分別用J0、J1和J2表示)，其中芯料填充節點為梁柱皆填充芯料，而“梁柱弱梁”型節點則僅填充鋼柱,所有節點尺寸皆相同。模型采用SHELL163單元，該單元為四節點空間薄殼單元。此外，沿厚度方向積分點設置為5，剪切系數設為0.83。為反映構件在沖擊工況下材料翹曲現象，選用Belytschko-Wong算法。材料本構模型選用塑性滑動模型(Cowper-Symonds模型)，該模型可以較好地反映瞬時荷載作用下的材料強化效應。梁柱節點與胞元金屬芯料分別選用鋼[4]和鋁[5]兩種材料，其力學參數如表1所示。

圖1 節點尺寸

圖2 胞元金屬芯料

圖3 節點裝配圖及其工況

表1 材料力學性能參數

圖4 低速沖擊下節點變形模式

圖5 中速沖擊下節點變形

模型網格劃分設置為自由劃分。同時，為模擬鋼板在荷載作用下的皺曲現象，設置材料間的動態摩擦系數為0.45。在加載制度方面，當今工業領域內撞擊試驗的相關規程中(NCAP, new car assessment program )顯示，撞擊試驗的沖擊速度范圍為10～150km/h(2.8～41.7m/s)。因此，加載制度設置為低速沖擊(20m/s)和中速沖擊(40m/s)，為探究該節點在高速撞擊下的動態響應，特設置高速對照荷載70m/s。加載方式設置為恒速剛性壓板加載沖擊加載，當剛性板沖擊歷程至900mm時終止加載。為探究該類節點動態響應，特別是節點處的變形及承載力，約束方式采用梁構件梁端約束，柱頂設置剛性沖壓板。以芯料填充節點為例，其裝配示意圖及工況如圖3所示

2 沖擊荷載下節點變形響應

2.1 節點破壞類型

圖4為不同類型節點在20m/s沖擊荷載下的變形響應?？梢钥闯?，在低速沖擊下，節點芯料對節點整體沖擊形變具有較大影響。對傳統鋼節點而言，梁柱鋼板作為唯一受力構件，在早期階段構件應力出現在沖擊端附近，且節點核心區上側受力較為集中，而下側幾乎無應力。對于芯料填充節點，一方面芯料在沖擊作用下呈橫向變形，為節點鋼板提供側向支撐力；另一方面，芯料的填充使節點有效截面增大，使得核心區處的應力分布相對均勻。在節點破壞類型方面，傳統節點失效狀態為節點核心區出現明顯鼓翹變形，梁柱焊接處出現顯著裂縫；而芯料的填充，使得節點核心區出現皺曲變形[6,7]，同時減緩焊接處鋼板斷裂的產生。

圖6 高速沖擊下節點變形模式

圖5和圖6分別為節點在50m/s和70m/s沖擊速度下的節點破壞類型。相較于低速沖擊荷載，高速沖擊荷載下由于材料的慣性效應[10]使得沖擊端處的鋼板應力更為集中，在節點受力早期，節點核心區幾乎無明顯變化。在節點受力后期，傳統節點由于鋼梁的橫向擠壓出現較大翹曲變形和應力集中，而填充節點的沖擊變形響應則以節點核心區橫向擠壓和整體皺曲為主，其鋼板應力相對較小，焊接區斷裂現象得到極大地改善。

2.2 節點沖擊形變

在荷載作用下的節點撓度是反映構件承載能力的重要指標。為探究芯料填充對節點沖壓作用下構件抗彎性能的影響，采取節點核心區不設任何約束。在此工況下，對于承受相同沖擊荷載的不同節點而言，節點核心區撓度越小說明其抗彎性能越優良。圖7和圖8分別為梁鋼板軸線撓度曲線和節點核心區撓度?？梢钥闯?，不同節點類型在不同工況下的撓度差異較為明顯。芯料填充節點的沖擊撓度值明顯小于傳統鋼節點。對于傳統鋼節點而言，其沖擊撓度隨沖擊速度增大而增大；而芯料填充節點撓度與其沖擊速度并未呈現顯著關聯性，但其撓度值顯著小于傳統節點撓度，表明芯料的填充可以有效地改善節點核心區的抗彎性能。該現象原因為胞元金屬芯料由多孔胞元金屬組合而成，該材料的填充使得沖擊端附近區域的芯料優先產生坍塌壓縮變形[6,10]，消耗沖擊端所引發的沖擊勢能，較少沖擊勢能向節點核心區方向傳遞，降低節點整體的撓曲變形。

圖7 梁軸線撓度曲線

圖8 節點中心沖擊撓度

3 沖擊荷載下節點承載力分析

圖9為節點核心區鋼板在不同沖擊工況下的名義應力變化歷程，從圖中可以看出節點鋼板應力變化趨勢與節點荷載-撓度曲線[14]的變化趨勢相似。節點鋼板在服役早期承受較高應力，當核心區鋼板出現局部屈服變形時，節點焊接處出現斷裂，此時核心區鋼板應力呈明顯衰減。

可以看出，節點鋼板早期應力峰值隨沖擊速度增大而顯著增大，該現象符合鋼材料應變率效應，即沖擊荷載下，材料應力隨其應變率增加而增大。在鋼板有效承載階段，由于芯料的填充，使得其核心區鋼板應力明顯低于傳統節點。該原因為芯料的填充一方面增加了節點核心區受力面積，另一方面在沖擊荷載下，芯料擠壓或拉伸變形時節點主要的力學響應。圖10為芯料和節點鋼板沖擊作用后的應力分布圖(以50m/s沖擊荷載為例)，可以看出胞元金屬芯料為節點的主要承載構件。

圖9 節點鋼板應力變化歷程圖

圖10 節點鋼板和芯料應力分布

表2為各節點在不同工況下的等效沖擊應力?？梢钥闯?，胞元金屬芯料的填充可以顯著降低節點核心區鋼板的沖擊應力。在低速沖擊下，芯料的填充使得鋼板沖擊等效應力降低40%左右，降低節點在瞬時沖擊荷載下的材料損傷，提高節點整體服役期限。另一方面，對于不同的芯料填充方案而言，芯料僅填充在柱內或梁柱皆填充兩種方案在應力弱化上差別不大，僅在50m/s 沖擊工況下差別較大。

表2 各節點等效沖擊應力

4 結 論

通過分析三種節點在不同沖擊速度下的力學響應，結論如下：1)胞元金屬芯料的填充可以弱化節點的應力集中現象，顯著延緩節點核心區梁柱連接區域的斷裂現象，減小節點撓度；2)沖擊荷載下的芯料填充節點，其節點核心區鋼板的名義沖擊應力顯著降低，降低幅度約10～40%，胞元金屬芯料為主要的沖擊緩沖部件。