沖擊荷載作用下帶下部鋼管柱單層球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)分析

摘要：為研究帶下部鋼管柱的單層球面網(wǎng)殼在沖擊荷載下的動(dòng)力響應(yīng)，在ANSYS/LSDYNA中建立70 m跨度帶下部鋼管柱的K8型單層球面網(wǎng)殼與正方體沖擊物的數(shù)值模型并進(jìn)行數(shù)值分析。根據(jù)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)和最終變形，總結(jié)了結(jié)構(gòu)在沖擊荷載作用下的4種響應(yīng)模式，并分析了各響應(yīng)模式下的動(dòng)力響應(yīng)（沖擊力、節(jié)點(diǎn)速度、節(jié)點(diǎn)位移、桿件應(yīng)力）特點(diǎn)。通過(guò)改變沖擊點(diǎn)位置以及下部柱高度等參數(shù)，分析這些參數(shù)對(duì)帶下部鋼管柱的單層球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)響應(yīng)模式的影響，揭示了結(jié)構(gòu)響應(yīng)隨各參數(shù)的分布規(guī)律。研究結(jié)果表明：水平側(cè)向沖擊作用下結(jié)構(gòu)的沖擊力主要為等腰三角形脈沖荷載；沖擊柱頂點(diǎn)時(shí)，上部結(jié)構(gòu)有桿件失效，結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)水平位移和桿件應(yīng)力最大；沖擊柱高度較低時(shí)，沖擊力峰值較小，節(jié)點(diǎn)最大水平位移和桿件最大應(yīng)力較大。

關(guān)鍵詞：沖擊荷載；網(wǎng)殼；鋼管柱；響應(yīng)模式；動(dòng)力響應(yīng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TU312文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

沖擊荷載的形式很多，如高空墜物、飛射物撞擊、爆炸、山洪泥石流等，雖然其屬于偶然荷載，但在當(dāng)今的特殊環(huán)境與形勢(shì)下，由于戰(zhàn)爭(zhēng)、恐怖襲擊以及施工中的失誤等原因，發(fā)生的概率卻在不斷增加。9·11事件發(fā)生后，沖擊荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的作用已經(jīng)引起學(xué)者們的廣泛關(guān)注。大跨空間結(jié)構(gòu)多用于大型公共建筑、工業(yè)建筑、地標(biāo)性建筑等重要的建筑工程領(lǐng)域中，此類(lèi)結(jié)構(gòu)如果遭到襲擊出現(xiàn)嚴(yán)重破壞，必將帶來(lái)生命及財(cái)產(chǎn)的重大損失。

Karagiozova等[15]主要對(duì)沖擊荷載作用下的圓柱殼構(gòu)件進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，分析了圓柱殼的沖擊屈曲特性。Nagel等[6]對(duì)錐形截面的薄壁方鋼管在斜向沖擊荷載作用下的動(dòng)力性能進(jìn)行了研究。陸新征等[7]對(duì)飛機(jī)撞擊世貿(mào)中心倒塌過(guò)程進(jìn)行了仿真分析。劉鋒等[8]對(duì)沖擊荷載作用下框架結(jié)構(gòu)的非線性動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了研究。目前關(guān)于沖擊荷載作用下構(gòu)件材料和框架的動(dòng)力響應(yīng)研究比較成熟，但對(duì)于大跨網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)方面的抗沖擊研究較少，主要有：李海旺等[910]和史俊亮[11]他對(duì)40 m跨度K8型單層球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在沖擊荷載下的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了研究；范峰等[1214]對(duì)60 m跨度K8型單層網(wǎng)殼在沖擊荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)、失效模式和失效機(jī)理進(jìn)行了研究；王秀麗等[1516]對(duì)基于不同加載點(diǎn)的沖擊荷載作用下K6型單層球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了研究。以上有關(guān)網(wǎng)殼的文獻(xiàn)主要是關(guān)于對(duì)網(wǎng)殼上部結(jié)構(gòu)的沖擊，而對(duì)下部支撐結(jié)構(gòu)受沖擊的網(wǎng)殼研究則尚未開(kāi)展。因此，本文研究了沖擊荷載作用于下部結(jié)構(gòu)時(shí)網(wǎng)殼動(dòng)力響應(yīng)及破壞類(lèi)型。

1有限元分析模型

本文在有限元軟件ANSYS/LSDYNA中建立跨度為70 m，矢跨比為0.2，環(huán)向分割頻數(shù)為9的K8型帶下部鋼管柱的單層球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)數(shù)值分析模型[1718]。在網(wǎng)殼的8個(gè)主肋方向及2個(gè)主肋之間分別設(shè)置鋼管柱與上部網(wǎng)殼（環(huán)梁）剛接，與地面完全固接，下部柱柱高為10 m。網(wǎng)殼模型見(jiàn)圖1，其圖1網(wǎng)殼模型

采用三節(jié)點(diǎn)梁?jiǎn)卧狟eam161，屋面荷載通過(guò)質(zhì)量單元Mass166施加，沖擊物采用八節(jié)點(diǎn)六面體實(shí)體單元Solid164，材料模型采用剛性體模型，下部柱及上部桿件所采用的材料模型為分段線性塑性模型，是ANSYS/LSDYNA中專(zhuān)門(mén)適用于鋼材的的模型[1214]，考慮了應(yīng)變率效應(yīng)，所謂應(yīng)變率效應(yīng)就是指應(yīng)變率提高后，材料內(nèi)部發(fā)生復(fù)雜變化，導(dǎo)致其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系更為復(fù)雜，會(huì)使材料產(chǎn)生應(yīng)力硬化現(xiàn)象。該模型可以自定義有效真應(yīng)力與有效塑性應(yīng)變的關(guān)系，以及應(yīng)變率對(duì)屈服應(yīng)力σy影響的比例因子，材料模型如下

2.1響應(yīng)模式

帶下部鋼管柱的單層球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)當(dāng)下部柱受沖擊荷載作用時(shí)，其動(dòng)力響應(yīng)具有一定規(guī)律。通過(guò)變化沖擊物的質(zhì)量和速度對(duì)下部柱進(jìn)行沖擊，其中通過(guò)變化沖擊物密度來(lái)改變沖擊質(zhì)量[1214]，因此本文不考慮沖擊物尺寸變化對(duì)結(jié)果的影響。經(jīng)大量數(shù)值模擬算例分析，以結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)及變形為判斷依據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)其響應(yīng)模式有以下4種：①模式1（結(jié)構(gòu)輕度損傷），直接受沖擊的下部柱進(jìn)入塑性，其他構(gòu)件基本處于彈性狀態(tài)，結(jié)構(gòu)無(wú)明顯變形；②模式2（輕微局部坍塌），直接受沖擊的下部柱進(jìn)入塑性階段且有較大塑性應(yīng)變，上部結(jié)構(gòu)塑性進(jìn)一步發(fā)展，出現(xiàn)輕微局部坍塌；③模式3（局部坍塌），直接受沖擊的下部柱破壞失效，上部部分桿件進(jìn)入塑性，出現(xiàn)局部坍塌，比模式2嚴(yán)重；④模式4（結(jié)構(gòu)剪切破壞），下部柱受高速?zèng)_擊被切斷，上部結(jié)構(gòu)雖部分進(jìn)入塑性階段但塑性應(yīng)變較小，結(jié)構(gòu)無(wú)明顯變形。4種響應(yīng)模式如圖2所示，以下通過(guò)4個(gè)典型算例來(lái)說(shuō)明這4種響應(yīng)模式。4個(gè)算例沖擊位置均為下部柱柱高為10 m，柱高1/2處，模式1沖擊物質(zhì)量m=1 t，速度V=5 m·s-1；模式2沖擊物質(zhì)量m=20 t，速度V=30 m·s-1；模式3沖擊物質(zhì)量m=50 t，速度V=30 m·s-1；模式4沖擊物質(zhì)量m=100 t，速度V=300 m·s-1。沖擊荷載下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)模式分布見(jiàn)表3。

2.2動(dòng)力響應(yīng)特點(diǎn)

2.2.1沖擊力

沖擊力是指結(jié)構(gòu)受到?jīng)_擊荷載的大小，一定程度上反映了結(jié)構(gòu)的損傷程度。4種響應(yīng)模式的沖擊力時(shí)程曲線見(jiàn)圖3。

從圖3中可知，沖擊力主要為等腰三角形脈沖荷載。存在多次碰撞現(xiàn)象，但主接觸過(guò)程持時(shí)很短，約為2～3 ms。從圖3（a），（b）中可知，沖擊力一般是首次沖擊峰值很大，隨后逐漸減弱。圖3（c）中沖擊力峰值在最后才達(dá)到最大，這是由于在低速?zèng)_擊下模式3中下部柱失效導(dǎo)致的。一般情況下沖擊力峰值是首次最大，隨后逐漸減弱。

2.2.2節(jié)點(diǎn)速度

節(jié)點(diǎn)速度代表了結(jié)構(gòu)的動(dòng)能，速度變化在一定程度上反映了能量的變化規(guī)律。選取模式2來(lái)分析，模式2中沖擊區(qū)節(jié)點(diǎn)0和與其相鄰柱節(jié)點(diǎn)1的水平速度變化如圖4所示。

圖4中節(jié)點(diǎn)速度在很短時(shí)間內(nèi)達(dá)到極值，然后衰減至平衡位置不斷波動(dòng)。從整體看，節(jié)點(diǎn)1速度比節(jié)點(diǎn)0的波動(dòng)大，且其幅值都隨時(shí)間呈衰減趨勢(shì)。說(shuō)明網(wǎng)殼被沖擊物沖擊后，沖擊物動(dòng)能轉(zhuǎn)化為網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的動(dòng)能及內(nèi)能，隨著網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)阻尼的影響，節(jié)點(diǎn)速度逐漸趨于0。