外鋼管對(duì)鋼管混凝土柱抗撞擊性能影響的有限元分析

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(1.太原理工大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.中核新能核工業(yè)工程有限責(zé)任公司，山西 太原 030006)

引言

近些年，車(chē)輛撞擊橋梁[1-2]、輪船撞擊橋梁[3]、飛機(jī)撞擊建筑[4-5]、列車(chē)撞擊建筑[6-7]等事故造成了重大人員傷亡與巨大損失。有學(xué)者建議，將普通的鋼筋混凝土柱建成鋼管混凝土柱，因此，鋼管對(duì)構(gòu)件受力性能的研究就很有價(jià)值。

國(guó)內(nèi)不少專(zhuān)家與學(xué)者已進(jìn)行了一些研究，如田力等[8]對(duì)鋼筋混凝土柱的抗沖擊性能進(jìn)行了ANSYS模擬分析，提出一系列參數(shù)對(duì)鋼筋混凝土柱力學(xué)性能的影響。許斌等[9-10]對(duì)鋼筋混凝土梁進(jìn)行了抗沖擊性能的試驗(yàn)研究。廖維張等[11]發(fā)現(xiàn)加固鋼筋混凝土梁時(shí)用高強(qiáng)鋼絞線(xiàn)網(wǎng)-高性能的砂漿可有效提高抗撞擊性能。侯川川[12]對(duì)低速橫向沖擊荷載下圓鋼管混凝土構(gòu)件的力學(xué)性能進(jìn)行了研究。本文結(jié)合已有的研究，開(kāi)展了外包鋼管對(duì)鋼管混凝土柱抗沖擊性能的影響模擬試驗(yàn)及分析。

1 網(wǎng)格劃分，邊界條件和界面處理

在運(yùn)用ANSYS模擬試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)對(duì)構(gòu)件進(jìn)行網(wǎng)格劃分。當(dāng)網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量太大時(shí)，計(jì)算時(shí)間就會(huì)大大增加，網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量較小時(shí)，計(jì)算精度便會(huì)下降。合理的網(wǎng)格劃分對(duì)有限元的模擬非常重要。本文對(duì)網(wǎng)格劃分的尺寸采用20 mm，在保證計(jì)算精度的前提下減少運(yùn)算時(shí)間。采用材料屬性為SOILD，鋼錘采用RIGID材料，混凝土采用Mat 72R3損傷模型，鋼管未采用損傷模型。本文主要選取鋼管混凝土柱和空鋼管柱在兩端固支情況下的數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬，所以在模擬中對(duì)試件的兩端進(jìn)行了固端約束。鋼管與混凝土的接觸采用共節(jié)點(diǎn)方式進(jìn)行粘結(jié)，鋼錘與鋼管的接觸采用“面面自動(dòng)”接觸，摩擦系數(shù)選取為0.3。

在進(jìn)行ABAQUS模擬時(shí)，鋼材單軸應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系采用韓林海五階段模型，即彈性段、彈塑性段、塑性段、強(qiáng)化段和二次塑流段。鋼材強(qiáng)度在快速加載時(shí)會(huì)比常規(guī)加載時(shí)有較大的提高，這稱(chēng)為鋼材的應(yīng)變率效應(yīng)。對(duì)于低碳鋼而言，當(dāng)D=40.4，p=5時(shí)，模型可以較為準(zhǔn)確地反應(yīng)鋼材屈服強(qiáng)度的提高?；炷敛捎肁BAQUS中的塑性損傷模型進(jìn)行模擬。材料單軸受拉受壓應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系均采用ABAQUS中的模型。該模型引入了約束效應(yīng)系數(shù)，考慮了鋼管約束作用對(duì)混凝土強(qiáng)度的提高。沖擊過(guò)程屬于動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，所以采用ABAQUS中的動(dòng)力學(xué)模塊Explicit進(jìn)行求解。因鋼管符合殼的特征，將鋼管建成殼單元，混凝土建成可變形的實(shí)體單元。落錘建成200 mm×100 mm×50 mm的剛性實(shí)體，并設(shè)置其質(zhì)量。鋼管和混凝土的應(yīng)力應(yīng)變均較大，故其網(wǎng)格劃分較密。落錘的網(wǎng)格劃分對(duì)計(jì)算精度影響不大，為了計(jì)算方便，其網(wǎng)格密度可較低。鋼管和混凝土之間采用切向摩擦系數(shù)為0.6的罰接觸，法向采用硬接觸。鋼管和落錘之間采用法向硬接觸，切向可近似認(rèn)為無(wú)摩擦?？紤]到?jīng)_擊過(guò)程實(shí)際的持續(xù)時(shí)間以及曲線(xiàn)記錄的完整性，將分析總時(shí)長(zhǎng)設(shè)置為0.035 s。

2 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證計(jì)算模型的合理性，本文對(duì)文獻(xiàn)[12]中的鋼管混凝土柱落錘試驗(yàn)進(jìn)行建模和分析計(jì)算。

2.1 沖擊力時(shí)程曲線(xiàn)

在鋼管混凝土柱落錘試驗(yàn)中，沖擊力時(shí)程曲線(xiàn)如圖1所示。

(a)

(b)

(c)圖1 沖擊力時(shí)程曲線(xiàn)

由圖1(a)可知，當(dāng)沖擊高度為5.5 m，鋼管屈服強(qiáng)度為247 MPa，鋼錘質(zhì)量為465 kg時(shí)，沖擊力峰值為805.65 kN，沖擊力時(shí)程為0.24 s，平臺(tái)值為250 kN；ANSYS模擬該工況時(shí)，沖擊力峰值為821.58 kN，沖擊力時(shí)程為0.24 s，平臺(tái)值為235 kN，模擬的吻合度較高。

由圖1(b)可知，當(dāng)沖擊高度為2.5 m，鋼管屈服強(qiáng)度為247 MPa，鋼錘質(zhì)量為920 kg時(shí)，沖擊力峰值為633.05 kN，沖擊力時(shí)程為0.33 s，平臺(tái)值為245 kN；ANSYS模擬該工況時(shí)，沖擊力峰值為710.98 kN，沖擊力時(shí)程為0.32 s，平臺(tái)值為225 kN，模擬的吻合度較高。

由圖1(c)可知，當(dāng)沖擊高度為8.0 m，鋼管屈服強(qiáng)度為247 MPa，鋼錘質(zhì)量為465 kg時(shí)，沖擊力峰值為783.49 kN，沖擊力時(shí)程為0.37 s，平臺(tái)值為210 kN；ANSYS模擬該工況時(shí)，沖擊力峰值為815.78 kN，沖擊力時(shí)程為0.24 s，平臺(tái)值為210 kN，模擬的吻合度較高。

2.2 跨中位移時(shí)程曲線(xiàn)

在鋼管混凝土柱落錘試驗(yàn)中，跨中位移時(shí)程曲線(xiàn)如圖2所示。

(a)

(b)圖2 跨中位移時(shí)程曲線(xiàn)

由圖2(a)可知，當(dāng)沖擊高度為5.5 m，鋼管屈服強(qiáng)度為247 MPa，鋼錘質(zhì)量為465 kg時(shí)，跨中最大位移為70.50 mm，殘余撓度為58.60 mm；ANSYS模擬該工況時(shí)，跨中最大位移為74.70 mm，殘余撓度為71.28 mm；ABAQUS模擬該工況時(shí)，跨中最大位移為61.43 mm，殘余撓度為59.39 mm。

由圖2(b)可知，當(dāng)沖擊高度為2.5 m，鋼管屈服強(qiáng)度為247 MPa，鋼錘質(zhì)量為920 kg時(shí)，跨中最大位移為70.80 mm，殘余撓度為60.69 mm；ANSYS模擬該工況時(shí)，跨中最大位移為79.84 mm，殘余撓度為75.41 mm；ABAQUS模擬該工況時(shí)，跨中最大位移為67.17 mm，殘余撓度為64.76 mm。

3 鋼管強(qiáng)度分析

3.1 模擬沖擊力時(shí)程曲線(xiàn)

通過(guò)模型的模擬研究表明，鋼管強(qiáng)度對(duì)試件抗沖擊能力有著較大的影響，所以對(duì)不同強(qiáng)度的鋼管進(jìn)行了模擬，ANSYS和ABAQUS模擬沖擊力時(shí)程曲線(xiàn)分別如圖3、圖4所示。

(a)

(b)

(c)圖3 ANSYS模擬沖擊力時(shí)程曲線(xiàn)

由圖3(a)、圖4(a)可知，ANSYS模擬沖擊高度為5.5 m，鋼管屈服強(qiáng)度為300 MPa，鋼錘質(zhì)量為465 kg的工況時(shí)，沖擊力峰值為908.46 kN，平臺(tái)值為270 kN，沖擊力時(shí)程為0.23 s。結(jié)果表明，在這種工況下鋼管強(qiáng)度提高0.2時(shí)，沖擊力峰值提高0.097，平臺(tái)值提高0.14。ABAQUS模擬該工況時(shí)，沖擊力峰值降低6.5%，平臺(tái)值提高6.0%。

由圖3(b)、圖4(b)可知，ANSYS模擬沖擊高度為2.5 m，鋼管屈服強(qiáng)度為300 MPa，鋼錘質(zhì)量為920 kg的工況時(shí)，沖擊力峰值為829.44 kN，平臺(tái)值為265 kN，沖擊力時(shí)程為0.32 s。結(jié)果表明，在這種工況下鋼管強(qiáng)度提高0.2時(shí)，沖擊力峰值提高0.16，平臺(tái)值提高0.17。ABAQUS模擬該工況時(shí)，沖擊力峰值提高0.2%，平臺(tái)值提高7.0%。

(a)

(b)

(c)圖4 ABAQUS模擬沖擊力時(shí)程曲線(xiàn)

由圖3(c)、圖4(c)可知，ANSYS模擬沖擊高度為8.0 m，鋼管屈服強(qiáng)度為300 MPa，鋼錘質(zhì)量為465 kg的工況時(shí)，沖擊力峰值為920.16 kN，平臺(tái)值為270 kN，沖擊力時(shí)程為0.22 s。結(jié)果表明，在這種工況下鋼管強(qiáng)度提高0.2時(shí)，沖擊力峰值提高0.13，平臺(tái)值提高0.28。ABAQUS模擬該工況時(shí)，沖擊力峰值下降5.0%，平臺(tái)值提高30.0%。

模擬試驗(yàn)結(jié)果表明，鋼管強(qiáng)度的提高可以提高沖擊力時(shí)程曲線(xiàn)的峰值與平臺(tái)值。

3.2 模擬跨中位移曲線(xiàn)

通過(guò)模型的模擬研究表明，鋼管強(qiáng)度對(duì)試件抗沖擊能力有著較大的影響，所以對(duì)不同強(qiáng)度的鋼管進(jìn)行了模擬，ANSYS和ABAQUS模擬跨中位移曲線(xiàn)分別如圖5、圖6所示。

由圖5(a)、圖6(a)可知，ANSYS模擬沖擊高度為5.5 m，鋼管屈服強(qiáng)度為300 MPa，鋼錘質(zhì)量為465 kg的工況時(shí)，跨中最大位移為63.27 mm，殘余撓度為57.40 mm。同樣的工況用ABAQUS模擬時(shí)，跨中最大位移為58.11 mm，殘余撓度為54.60 mm。

(a)

(b)

(c)圖5 ANSYS模擬跨中位移曲線(xiàn)

由圖5(b)、圖6(b)可知，ANSYS模擬沖擊高度為2.5 m，鋼管屈服強(qiáng)度為300 MPa，鋼錘質(zhì)量為920 kg的工況時(shí)，跨中最大位移為58.81 mm，殘余撓度為54.14 mm。同樣的工況用ABAQUS模擬時(shí)，跨中最大位移為63.52 mm，殘余撓度為60.16 mm。

由圖5(c)、圖6(c)可知，ANSYS模擬沖擊高度為8.0 m，鋼管屈服強(qiáng)度為300 MPa，鋼錘質(zhì)量為465 kg的工況時(shí)，跨中最大位移為68.39 mm，殘余撓度為62.43 mm。同樣的工況用ABAQUS模擬時(shí)，跨中最大位移為60.88 mm，殘余撓度為58.09 mm。

模擬試驗(yàn)結(jié)果表明，鋼管強(qiáng)度的提高可以減小跨中位移的峰值和殘余撓度。

(a)

(b)

(c)圖6 ABAQUS模擬跨中位移時(shí)程曲線(xiàn)

4 結(jié)論

考慮到鋼管和混凝土之間，鋼管和鋼錘之間的接觸關(guān)系，建立了兩端固定鋼管混凝土柱受橫向撞擊荷載時(shí)的ANSYS和ABAQUS有限元分析模型。通過(guò)計(jì)算結(jié)果與已有試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了有限元計(jì)算模型的正確性。

計(jì)算結(jié)果表明，在鋼管混凝土中，外包鋼管的強(qiáng)度是影響試件沖擊力峰值、平臺(tái)值、跨中位移和殘余撓度的主要因素，隨著外包鋼管強(qiáng)度的提高，可以提高試件的沖擊力峰值和平臺(tái)值，減小最大跨中位移和殘余撓度，表明提高外包鋼管強(qiáng)度可提高試件的抗撞擊性能。