侧向冲击作用下圆钢管混凝土构件的数值模拟分析.pdf

第 2 7卷 第 1期 2 0 1 0年 3月 建筑科 学与工程 学报 J o u r n a 1 O f Ar c h i t e c t u r e a n d C i v i l E n g i n e e r i n g Vo1 2 7 M a r NO 1 2 O1 O 文章编号 ： 1 6 7 3 - 2 0 4 9 ( 2 0 1 0 ) 0 1 - 0 0 8 9 0 8 侧向冲击作用下圆钢管混凝土构件的 数值模 拟分 析 瞿 海雁 ， 李 国强h 。 ， 孙建运 ， 陈素文 。 ( 1 同济大学 土木工程学院 ， 上海 2 0 0 0 9 2 ； 2 3 同济大学 土木工程防灾 国家重点实验室 ， 上海 普 渡大学 工程学 院， 印第安纳 拉斐埃特I N 4 7 9 0 7 ； 2 O O 0 9 2 ； 4 新加坡凯斯防护科技集 团， 新加坡1 5 9 3 6 1 ) 摘 要 ： 首 先利 用 L S DYN A 程 序 对一 圆钢 管混凝 土构件 落锤 冲击试验 进行 数值 模拟 ； 然后 对 1根 两 端 固支的钢 管混凝 土构件 在侧 向冲击 作 用下的动 力响应 进 行 分析 ， 模 拟 过程 中混 凝 土 采 用能 较好 模 拟复 杂试验 结 果 的 C ONC R E TE D AMA GE RE L 3 模 型 ， 钢 管采 用 随动硬 化 模 型 ， 同时通 过共 用节点 方法模 拟钢 管和 混凝 土之 间的相 互作 用 ， 通过 面 面接 触 方式 模 拟 冲 击体 与 构件 之 间的接 触 作 用 ； 最后 对 两端 固支 的钢 管混凝 土构件 在 不 同条 件 下的动 力响 应进 行 比较和 分析 ， 得到 了冲击体 动能、 冲量对构件变形、 支座和跨中内力的影响。结果表明： 试验结果与数值模拟结果符合较好 ， 采 用该数值 模拟 方法 可 以很 好地 模拟 圆钢 管混 凝 土构件在 侧 向冲 击荷 载作 用下 的动 力响应 。 关键 词 ： 圆钢 管混凝 土 ； 侧 向 冲击作 用 ； 动 力响 应 ； 数 值模 拟 ； L S D YNA 程序 中图分 类 号 ： TU3 7 5 文 献标 志码 ： A Nu me r i c a l S i mu l a t i o n Ana l y s i s o f Ci r c u l a r Co nc r e t e 。 f i l l e d S t e e l Tu b e S p e c i me n Und e r La t e r a l I mpa c t QU Ha i y a n ，LI Gu o q i a n g 。 ，S UN J i a n y u n ，CHEN Su we n 。 ( 1 _S c h o o l o f Ci v i l E n g i n e e r i n g，To n g J i Un i v e r s i t y，S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2，Ch i n a ；2 S c h o o l o f En g i n e e r i n g，Pu r d u e Uni ve r s i t y，W e s t La f a y e t t e I N47 90 7，I nd i a n a，USA ；3 St a t e Ke y Lab or a t or y f or Di s as t e r Re du c t i on i n Ci v i l En g i n e e r i n g ，To n g j i Un i v e r s i t y，S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2 ，C h i n a ；4 K&C Pr o t e c t i v e Te c h nol o gi e s Pt e Lt d，Si ng ap or e 1 59 361，Si ng ap or e ) Ab s t r a c t ：Fi r s t l y，t h e n ume r i c a l s i mul a t i on o f a c i r c ul a r c o nc r e t e f i l l e d s t e e l t ub e s pe c i me n un de r d r o p i m p a c t wa s c a r r i e d o ut b y us i ng LS DYNA pr o gr a mThe n，t he dy n a m i c r e s po n s e of a f i xe d e nd c o nc r e t e f i l l e d s t e e l t ub e s pe c i m e n u nd e r l a t e r a l i m p a c t wa s a na l y z e d I n t he a n a l ys i s ， t he ma t e r i a l mo de l ， C0lNCRETE DAM AGE REL3， w h i c h c o ul d gi v e a r obu s t de s c r i p t i on of c o m p l e x c on c r e t e 1 a b or a t or y r e s po n s e，wa s c h os e n t o m a ke c o nc r e t e mo d e 1 St e e l wa s s i mul a t e d b y ki ne m a t i c a l ha r de n i n g mod e l a n d t h e i nf l u e n c e o f s t r a i n r a t e wa s a l s o t a ke n i nt o a c c ou nt f or bo t h c on c r e t e a nd s t e e 1 Commo n n o de wa s t a ke n t o s i m u l a t e t he i nt e r a c t i on o f t h e ou t e r s t e e I t ub e wi t h t he c or e c o nc r e t e a nd t he s u r f a c e t o s ur f a c e c o nt a c t m o d e l wa s us e d t o mod e l t h e c o nt a c t f u nc t i o n be t we e n i mpa c t b o dy an d t h e s pe c i me n Fi na l l y，t he d yn a mi c r e s po ns e of a f i xe d e n d c on c r e t e f i l l e d s t e e l t u be s pe c i me n wa s c o m p a r e d a n d a na l y z e d un de r di f f e r e nt c o nd i t i o n s The i n f l ue nc e of t he i m p ul s e a n d ki n e t i c e n e r gy o f t h e i m p a c t bo dy o n t he d e f o r ma t i on of t he s pe c i me n，t h e i nt e r n a l f o r c e s o f t h e e n d c r os s s e c t i o n。t he mi d s p a n c r o s s s e c t i o n o f t h e s p e c i me n 收稿 日期 ： 2 0 0 9 1 0 0 8 作者简 介： 瞿海雁( 1 9 7 7 一 ) ， 男 ， 湖南汨罗人 ， 工学博士研 究生 ， E ma i l ： h a i y a n q u 2 0 0 8 y h a o o c o m c n 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 9 0 建 筑科 学与工程 学报 2 0 1 0 卑 we r e ob t a i n e d The r e s ul t s s h o w t ha t t he t e s t r e s u l t s a gr e e we l l wi t h t he nu me r i c a l s i m u l a t i on r e s ul t s，a nd t he s i mul a t i o n me t ho d us e d i n t he pa pe r c a n s i m u l a t e t he d yn a mi c r e s po ns e of a c i r c u l a r c o n c r e t e f i l l e d s t e e l t u b e s p e c i me n u n d e r l a t e r a l i mp a c t l o a d f u n c t i o n Ke y wo r d s ： c i r c u l a r c o n c r e t e - f i l l e d s t e e l t u b e； l a t e r a l i mp a c t f u nc t i o n； d y n a mi c r e s p o n s e； n u me r i c - a l s i m u l a t i on；LS - DYNA pr o gr a m 0 引 言 钢管混 凝 土结构 可 以充 分发挥 钢材 和混凝 土材 料的优点 ，使 结构 承载力 得到 提高， 延性得 到改 善 1 。相对 于钢筋 混凝 土 、 钢结 构而 言 ， 钢管 混凝 土 结构具有承载力高、 良好的塑性、 韧性、 耐火性、 经济 性以及施工过程简便 等特点 ， 从而被广泛应用于高 层建筑 、 工业 厂 房 和拱 桥 结构 中 。随着 钢 管混 凝 土 结构 的广泛 应用 ， 对其 构件抗 冲击性 能 的研究 ， 尤其 是抗 侧 向冲击性 能 的研 究 显 得愈 加 重 要 ， 但 是关 于 这方 面 的研 究 目前 还 比较 少 ， 大 部 分 的工 作 是 针对 混凝 土和钢 管 的 冲击 性 能 的研 究 。基 于此 ， 笔者 在 他人 试 验 的基 础 上 ， 利 用 通 用显 式 有 限元 程 序 L S D YNA对侧向低速冲击作用 下钢管混凝土构件 的 动力响应做 了一些分析， 从中得出一些有益的结论。 1 计算模型及参数 1 1 试 验描 述 笔者以文献 2 中所做的圆钢管混凝土构件落 锤试验为基础进行研究 ， 试验装置见图 1 。数值分 析模 型选 取 的试 验 模 型 为 圆钢 管 混凝 土 构件 ， 钢 管 直 径为 1 1 4 mm， 厚度 为3 5 mm， 总长 1 8 O 0 mm， 两 端 固支 ， 每 端 约 束 长 度 为 3 0 0 mm； 落 锤 由 4 5号 锻 钢 制成 ， 质 量可 在 1 9 2 4 0 k g范 围内调 整 ， 底 部 安 装 冲击 面为 3 0 mm 8 0 mm， 硬度 为 6 4 HR C 的 铬 1 5的楔形冲击头 。数值分析过程中， 冲击体模拟尺 寸为 3 0 mm8 0 mmx 8 0 mm， 通过调整冲击体材 料 密度来 有 效 模 拟 冲 击 体 质 量 。冲击 体 下 落 高 度 ( 距 离 钢管 混 凝 土高 度 ) 分 别 为 3 0 、 4 5 、 6 0 m； 钢 管采用 Q2 3 5 钢 材 ， 混凝土 采用 C 5 0等级 混凝 土 ， 落 锤 冲击 部位 位于构 件跨 中。图 2为圆钢 管混凝 土构 件侧向冲击。 1 2数值模 拟 过程 1 2 1 单元 类型和 边界 条件 本 文 中所 采 用 的数 值 分 析 软 件 是 L S - DY N A L 引。在数值模拟过程 中， 为 了简化计算 ， 取构件 的 1 2对称结构进 行分析 。构件有 限元模 型见图 3 。 冲击体 、 钢管 、 混凝 土均采 用具 有较 高精度 和较 ( a ) 装 置简 图 ( b ) 现 场 图 1落 锤 试 验 装 置 Fi g 1 Dr o p Te s t Appa r a t u s 图 2 圆钢管混凝土构件侧 向冲击 Fi g 2 Ci r c u l a r Co n c r e t e - f i l l e d S t e e l Tub e Sp e c i m e n Und e r La t e r a l I m p a c t 3 0 0 1 2 0 0 3 0 0 ( b ) 冲 击体 横截 面 ( c ) 钢 管混 凝 土横 截面 图 3构 件有 限元模型 ( 单位 ： ra m) F i g 3 F i n i t e El e me n t Mo d e l s o f S p e c i me n s( Un i t ： mm) 好 收敛性 的六 面体 S o l i d 1 6 4实 体 单元 来 进 行模 拟 ， 在 网格划 分过 程 中 ， 网格大 小不 超过 2 0 mm， 1 2构 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1期 瞿海雁 ， 等 ： 侧 向冲击作 用下圆钢 管混凝土构件的数值模拟分析 9 1 件模型共划分有单元 1 1 6 6 4个、 节点 1 3 6 2 2 个 。本 文 中通过 约束钢 管两 端约束 区域 的外 围节点 2 7 、 Y 、 方 向位移来 模拟 构 件 两端 固支 ； 忽 略钢 管 与 混凝 土 之 间的滑 移 ， 钢 管与 混凝 土采用 完全 粘结 方式 ， 同时 在 构件 和冲击 体对 称面上 采取 对称 约束 。 1 2 2 材料 模 型及 参 数设 置 L S D YNA 程序 中有 一系列 材 料 模 型可 用 来模 拟 混 凝 土 ， 如 B R I T TL E D AMAGE( MAT一9 6 ) 、 J OHNS ON HOLM QUI S T CONCRETE ( MAT 一 1 l 1 ) 、 C S C M C 0 NC RE TE( MAT一 1 5 9 ) 4 3 等 。本 文 中采用 C O NC R E TE D AMAG E R E L 3( MAT 一 7 2 一 RE L 3 ) 来 模 拟混凝 土 材 料 ， 该 材 料模 型 的一 个 重 要 特点就是具有一定 的参数 自动生成功能 ， 大大减少 了参数要 求 和输入 ， 只要 输入 很少 的参 数 ( 无侧 限抗 压 强度 和应变 率效 应 曲线 ) 。此外 ， 研究 表 明该 材 料 模 型能够 较好 地模 拟混凝 土材 料在 高速 加载情 况 下 的性能 5 。 钢材 采用 基于 C o wp e r S y mo n d s 的 P L AS T I C KI NEM ATI C ( M AT 一0 0 3 ) 材 料模 型 ， 该 材 料 模 型 可 以用来 模拟 钢梁 、 钢 柱 等 结 构 构件 在 高 速 加 载情 况 下 的响应 。用与应 变率 有关 的 因数 表示 屈服 应力 ，即 一 1 + ( 三) 古 ( + ) ( 1 ) ( 2 ) 式 中 ： 为初 始屈 服 应 力 ； 为 应 变率 ； c 、 P为 C o w p e r S y mo n d s 应 变 率 参 数 ； ； “为 有 效 塑 性 应 变 ； E 为塑性 硬化 模量 ； E为弹性 模量 ； E 为切线模 量 。 本文 中 f 一 5 0 1 1 0 ms 一 ， P一4 ， 其 他 材 料 参数 采用文 献 2 中试 验实 测 的材 性参 数 ， 见表 1 。 表 1 圆钢 管 混 凝 土 冲 击 试 验 材 料 参 数 Ta b 1 I m p a c t Te s t M at e r i a l Pa r a m e t e r s o f Ci r c ul a r Con c r e t e - f i l l e d St e e l Tu b e 密度 弹性模量 屈 服强度 材 料 泊 松 比 ( 1 0 。k gm 0 ) 1 0 2 GPa M Pa 钢 材 7 8 5 0 2 0 6 2 4 l 0 3 冲 击 体 采 用 等效 密 度 ， 可 调 2 0 6 2 4 l 0 3 混 凝 土 2 5 0 0 注 ： 混凝 土立 方 体 抗 压 强 度 为 4 7 5 MP a ， 轴 心 抗 压 强 度 为 32 4 M Pa 。 1 2 3 材料 的应 变率 效应 与标 准静加 载不 同 ， 在 冲击 作用 下 ， 材料 的应 变 率非 常高 ， 混凝 土 和钢材 的屈服 强度 有 明显 的提高 。 在高 应变 率 下 ， 钢 材 抗 拉 强 度 可 增 大 5 0 以上 ， 混 凝土 抗压 强 度 可增 大 1 0 0 ， 抗 拉 强 度 甚 至 可 增 大 6 0 0 以上 。因而要想得到比较可靠的模拟效果 ， 混凝土和钢材的应变率效应不 可忽略 ， 可用动力增 大系数( DI F ) 曲线来表征在动荷载作用下材料屈服 强度 的提 高 。 在一 些文 献 中不难 找到 基于试 验 得到 的钢材 和 混凝土 的应 变率效应 经验公 式， 如文献 7 、 9 、 E l O 等。 对 于钢材 的应 变率 效应 ， 笔者 通过设 置式 ( 1 ) 中 的参数 c 、 P来考虑。对于混凝 土的应变率效应， 采 用欧洲混凝土委员会推荐的公式 ： ( 1 ) 拉 应变 r告 ( 3 ) 式 中 ： T 阱 为 受拉 区混 凝土应 变 率效应 系 数 ； f a 为 混 凝土 对应 拉应 变率 为 时 的动态 抗 拉强 度 ； f 。 为 混 凝土对 应 拉应变 率 为 时 的准 静态抗 拉 强 度 ； f c 。 一 I O MP a ； 为单 轴 静态抗 压 强度 。 ( 2 ) 压应 变 c 。-r ：； = f耋 。26 ： ： ： 。 一 3 1 0 S l g ) ， 一 6 1 5 6 a- 0 4 9 a 一( 5 +3 f 4 ) ( 4) 式 中 ： C 阱 为 受压 区混凝 土应 变率 效应 系 数 ； f c a 为混 凝土对应压应变率为 。 时的动态抗压强度 ； f o 为准 静 态轴 心抗 压 强 度 ； f c 为 准 静 态 立 方 体 抗 压 强 度 ； a 为压 应变 率 。 1 2 4接 触方 式 在进行仿真分析时， 冲击体距离构件冲击部位 全 部取 为 5 mm， 通 过 调 整 冲击 体 初 始 速 度 来 反 映 冲击 高度 的变 化 ， 忽 略碰 撞 过 程 中重力 加 速 度 的影 响 。L S _ D YNA 程 序 中定 义 的 接 触 方 式 有 单 面 接 触 、 点面 接触 、 面 面接 触 等 ， 本 文 中采用 面 面接 触类 型来模 拟 冲击体 与 构件之 间的作用 。 2 试验验证 为了验证本文 中所采用的数值模拟方法是具有 S S 0 O 3 3 7 d d e 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 9 2 建 筑科 学与工程 学报 2 0 1 0生 效性和可靠性的 ， 利用上述数值模拟方法对文献 2 中所做的圆钢管混凝土构件落锤试验进行了模拟和 分析 ， 并将数值模拟结果与试验结果进行了比较 。 2 1 节点 挠度 比较 将文献 2 中试验和数值模拟得到的跨 中底部 节点 的永久挠 度进 行 了比较 ， 对 比结 果如表 2所示 。 从 表 2可 以看 出 ： 本 文数 值 模 拟结 果 与 试 验结 果 的 相对误 差不 超 过 1 ， 验 证 了本 文 数 值 模 拟 方 法 的 有 效性 和可靠 性 。 2 2冲击 力比较 图 4 6为根据文献 2 中 3种不同冲击高度作 用下 的试验和本文数值模拟得到 的冲击力时程 曲 线。从图 4 6可以看 出： 试验和数值模拟得到的冲 击力时程曲线不但很相似 ， 而且冲击力最大值、 冲击 力平 台值 也很接 近 。表 3为 3种 冲击高 度下试 验和 数值模拟得到的冲击力最大值、 冲击力平台值 的比 较 ， 由表 3可 以发现两 者 的相对 误 差不 超 过 8 ， 这 进一 步证 明 了本 文数值 模拟 的可靠 性 。 表 2 试 验与数值模拟得到的跨 中挠度对比 Ta b 2 Co mpa r i s o n s o f De f l e c t i o n of M i d - s p a n f r o m Te s t s a n d Nu me r i c a l Si mul a t i ons 工况 D mm L mm t mm 约束形式 冲击高度 m 冲击速度 ( m S ) 最大挠度试验值 mm 永久挠度模拟值 mm 相对误差 A1 1 1 4 1 2 0 0 3 5 固一 简 6 O O 1 O 8 8 3 0 8 3 6 0 I A2 I 1 4 1 2 0 0 3 5 固一 简 8 O 0 1 2 5 l 1 5 5 1 1 9 7 0 5 A3 1 1 4 I 2 0 0 3 5 固一 简 8 3 7 1 2 8 1 2 2 1 1 2 2 6 0 4 注 ： D为构件直径 ； L为构件净距 ； t 为钢管厚度 。 至 杂 一 侣 是 时 间 ms ( a ) 试 验 曲线 O 时 BI ms ( b ) 数值 模拟 曲线 图 4冲击高度为 6 m 时的冲击力时程曲线 Fi g 4 I m p a c t Fo r c e Ti me H i s t o r y Cur v e s wh e n I m p a c t He i g ht i s 6 m 2 3构件 变形 比较 图 7为文 献 2 中试 验 方 法 和本 文 数 值模 拟 得 到的永久变形形状。从图 7可 以看出： 两者变形形 状和变形模式很相似 ， 这进一步证 明了本文数值模 拟的可靠性。 3 参数分 析 利用上述已经验证的数值模拟方法对第 1 1 节 中提 出的试 验构件 ( 两端 固支 ) 进 行 分 析 ， 通 过 改变 冲击参数， 分析冲击体动能、 动量以及冲击体高度变 Z 一 相 是 至 伯 蹙 、 时 间 ms ( a ) 试 验 曲线 时 Ih ms ( b ) 数 值模 拟 曲线 图 5冲击高度为 8 m 时的冲击力时程 曲线 Fi g 5 I mpa c t Fo r c e Ti m e Hi s t o r y Cu r v e s whe n I m pa c t He i g ht i s 8 m 化对 钢管 混凝 土构件 冲击 响应 的影响 。 3 1接触过 程 冲击体开始接触构件表面后对构件产生冲击和 挤压作用 ， 并随着构件一起变形 ， 冲击体速度开始逐 渐减小 ， 随着接触 时间的增加， 冲击体速度减小 到 0 ， 构件 达到最 大 挠 度 。随后 构 件 开始 反 弹 ， 在 反 弹 力 作用 下 ， 冲击 体也 随之 反弹 ， 同时形 成反 向加速度 和反向速度 ， 并且反 向速度越来越大 ， 一旦冲击体反 向速度大于构件回弹变形速度 ， 冲击体与构件便开 始 分离( 本文 中不考虑二次冲击) 。 这一现象可以从 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1期 瞿海雁 ， 等 ： 侧 向冲击作用下圆钢管混凝土构件的数值模拟分析 9 3 ，、 ， I ll 一 时 间 ms ( a ) 试验 曲线 图 6 冲击高度为 8 3 7 m 时的冲击力时程曲线 Fi g 6 I mp ac t Fo r c e Ti me Hi s t o r y Cur v e s whe n I mp ac t He i g h t i s 8 37 m 表 3 试验与数值模拟得到的冲击力对 Ta b 3 Co mp a r i s o ns o f I mp a c t Fo r c e s f r o m Te s t s a n d Nume r i c a l Si mu l a t i on s 冲击高 冲击力 冲击力 k N 相对 度 m 统计方法 文献E z 的试验值 数值模 拟值 误差 最大值 3 5 7 4 3 7 1 7 4 0 6 O 0 平 台值 1 1 1 7 1 1 3 0 1 1 最大值 3 8 9 0 4 1 2 4 6 0 8 O 0 平台值 1 1 6 1 1 1 6 0 0 1 最大值 4 0 8 ， 3 4 3 8 8 7 5 8 3 7 平台值 1 1 3 4 1 1 5 0 1 4 ( a ) 试验结果 ( b ) 数值模拟结果 图 7 钢 管 混凝 土 构 件 永 久 变 形 形 状 Fi g 7 S h a pe s o f De f o r m a t i on s of Co nc r e t e - f i l l e d S t e e l Tu b e S pe c i m e ns 节点 3 3 4与节点 1 3 4 7 7的 z方向的位移和速度时 程曲线反映出来( 节点 1 3 4 7 7为冲击体底部中心节 点 ， 是构件上与之相对应的接触节点) ， 如图 8所示 。 从图 8 ( b ) 可以看出： 节点 3 3 4的 z方向( 冲击方向) 速度在接触期间波动比较大， 这主要是复杂应力波 伪 吕 图 8 方 向 的 位 移 和 速 度 时 程 曲 线 Fi g 8 x- di s pl a c e me nt Ti me Hi s t o r y Cur v e a n d X v e l o c i t y Ti me Hi s t o r y Cu r v e s 在 构件 中来 回传递 和振 荡所 致 。 3 2支座 和跨 中“ 塑 性铰” “ 塑 性铰 ” 实 际上是对 结 构进行 塑性 设计 时引入 的概念 ， 可以集 中在 一个或多个 自由度上考虑构件 的屈 服后 性能 ， 是一 种力学 性 能的简 化 ， 可用于 结构 静动 力非 线性分 析 时考虑 材料 的非线 性 。与理 想 自 由铰 相 比 ， “ 塑性 铰 ” 只能 在一 定 范 围 内沿一 定 方 向 可 以转 动 ， 且 承受 一个 不变 的弯矩 。 在 冲 击作 用 下 ， 当 构件 截 面 弯矩 增 大 到极 限 弯 矩 时 ， 该 截 面上各 点均进 人 屈服状 态 ， 其 临 近截 面也 发 生局部 塑性 变形 即“ 塑性铰 ” 出现 。图 9 1 1为冲 击体 ( 质量为2 0 2 8 k g ， 入射动量为1 9 0 4 2 9 N S ， 动 能 为 8 9 4 0 6 4 J )作 用 下 ， 构 件 跨 中 ( z一 6 0 0 ram) 、1 4 跨 中 ( 一 9 0 0 r n m) 、 支 座 附 近 ( 一1 1 8 0 mi l l ， 考虑 到支座 约束 对节点 位移 的影 响， 选取支座附近截面) 各截面弯矩与相应截面中心 节点的位移关系曲线 。从图 9 、 1 0可以看出： 在跨 中 和支座 附近 ， 截面 达到极 限 弯矩后 ， 弯矩 保持 基本 不 变 ( 微小 变化 主要 是 由于应 力 波 振 荡 和应 变 率 速率 微小 变化 所致 ) ， 位 移 增 大 ， 这 意 味着 “ 塑性 铰 ” 的形 成 ， 最后 由于冲击 体被反弹 ， 使 得构件弯矩有所 减 小 。从 图 1 1可 以看 出 ： 1 4 跨 中截 面 没有 达 到 极 限 弯矩 ， 并且随着位移的增大 ， 弯矩发生明显变化 ， 表 明没 有形 成“ 塑 性铰 ” 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 9 4 建 筑科 学与工程 学报 2 0 1 0 血 目 目 Z 0 静 方 向位移 ram 图 9 跨 中截面弯矩与截面中心 方向位移 的关 系 Fi g 9 Re l a t i o n o f M i d- s pa n Se c t i o n M o me nt a n d S e c t i o n Ce nt e r x - di s p l a c e me n t g 昌 Z 0 静 图 1 0 支座附近截面 弯矩 与截面 中心 X方 向位移的关 系 Fi g 1 0 Re l a t i o n o f S u ppo r t S e c t i o n M o me nt an d Se c t i o n Ce nt e r x- d i s pl a c e m e nt 图 1 1 1 4跨 中截面弯矩与截面中心 X方向位移的关系 Fi g 1 1 Re l a t i o n o f 1 4 Mi d - s p a n S e c t i o n Mo me n t a n d S e c t i o n Ce nt e r x - d i s pl a c e me n t 3 3 不 同冲击体 作用 下的动 力响应 3 3 1 冲 击体动 能相 同、 动量 不 同的情形 在冲击试验 中， 可以通过改变落锤质量、 落锤高 度来模拟动能相 同、 动量不同的冲击体作用 。在数 值模拟分析 中， 可采用设定不 同冲击体密度和冲击 速度 的方法 来实 现 。 冲击体 接触前 瞬 间速度 V 为 V I 一 等 ( 5 ) 式中： E - 为冲击体接触前瞬间动能； P为冲击体接 触 前 瞬间动 量 。 由式( 5 ) 可知 ， 对于动能相 同的不 同冲击体 ， 动 量小的冲击体则入射速度大。 表 4为不 同入射 动量 影 响 的分析 结果 。从 表 4 可以看出： 当冲击体动能相 同时， 动量小的冲击体导 致构件最大变形、 永久变形小 ， 但支座截面最大负弯 矩 、 最大剪力和跨 中截面最大正弯矩却反而大。这 可以从应变率效应及截面极限承载力方面进行解 释 ： 当冲击体动能相同时， 动量小的冲击体入射速度 大 ， 在较 大 的冲击 速度 作 用 下 ， 构件 材 料 应变 率 、 屈 服强 度增 大较 大 ， 构 件 截 面抗 弯 、 抗 剪 承 载力 、 支 座 剪力最大值也增大较大， 而构件最大变形 、 永久变形 变化 较小 。 在动能相同、 动量较小的冲击体作用下， 跨中与 支座 截面 的抗 弯极 限 承载 力 增 大较 大 ， 而 在本 文 工 况冲击体作用下 ， 构件支座与跨 中截面形成了“ 塑性 铰” ， 这意 味着支 座和跨 中截 面弯矩 达到 了极 限抗 弯 承载力， 则支座截 面最大负弯矩 、 跨 中最大正弯矩 增大 。 上述 特征 与 准 静态 加 载相 反 ， 在 准静 态加 载 条 件下 ， 随着跨 中位 移 的减小 ， 构 件支 座和跨 中内力 随 之减 小 。而本文 中则是 ， 随着 跨 中位 移 的减小 ， 构 件 表 4动 量 影 响 分 析 结 果 Ta b 4 Ana l y t i c a l Re s u l t s o f M o m e n t u m Ef f e c t s 冲击体 冲击 体接触 冲击体接触前瞬间 冲击体接触前瞬间 支座最大负弯矩 支座最大 跨中最大正弯矩 构件最大 构件永久 工 况 质 量 k g 前瞬间动能 J 动量 ( N s ) 速度 ( mS ) ( 1 O N r a m) 剪力 N ( 1 0 Nr a m) 变形 ram 变形 ram Bl 7 l 5 2 5 8 9 4 0 6 4 3 5 7 6 2 6 5 O 0 1 8 1 9 5 3 7 8 0 2 6 6 5 2 2 4 4 9 4 4 B 2 2 0 2 8 0 8 9 40 6 4 1 9 0 4 2 9 9 3 9 1 9 2 l 2 7 1 2 9 2 2 8 2 4 9 1 4 4 6 2 3 B3 7 9 5 O 8 9 40 6 4 1 1 9 2 09 1 5 O 0 1 9 4 1 3 8 3 8 4 2 2 9 4 4 5 0 4 4 2 0 2 注 ： 表 中 数据 适 用 于 完 整 构 件 。 支座和跨中内力反而增大。图 1 2为不同冲击体动 能不变情况下的支座截面剪力 、 弯矩及跨 中截面弯 矩 时程 曲线 。 3 3 2 冲击体 动 量相 同、 动 能不 同的情形 可采用 与第 3 2 1 节 中相 同的方法来 模 拟动量 相同、 动能不同的不同冲击体作用。表 5为不同动 能的影响分析结果。从表 5可以看出 ： 当冲击体动 量相同时， 动能大的冲击体入射速度大。由此可知 ， 在较大的冲击速度作用下 ， 截面抗剪 、 抗弯极限承载 力 也 增 大 较 大 ， 则 支 座 剪 力 最 大 值增 大 。 同样 由 于 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1期 瞿 海雁 ， 等 ： 侧 向冲击作 用 下 圆钢 管 混凝 土构件 的数 值模 拟 分析 9 5 Z 叵 K 吕 吕 Z b 0 舯 蟹 吕 吕 Z 0 静 导 留 时间 ms ( a ) 支 座x 方 向剪 力 时 问 ms ( b ) 支座y 方向弯矩 图 1 2 动 能 相 同 、 动 量 不 同时 剪 力 、 弯 矩 时 程 曲线 Fi g 1 2 Sh e a r a n d M o me nt Ti m e H i s t o r y Cur v e s wi t h 构件 在本 文 工 况 下 ， 支 座 和 跨 中 区域 形 成 了 “ 塑 性 铰” ， 意味着支座和跨 中弯矩 已经达到 了极 限承载 力 ， 则 支 座截面 最 大负 弯 矩 和 跨 中截 面最 大 正 弯 矩 也 随之增 大 。这点 在表 4中得到 了很好 的反映 。从 表 5可以看出： 在动量相 同， 动能较大的冲击体作用 下 ， 构件 最 大 变形 、 永久 变 形 也增 大 。图 1 3为构 件 动量 不变 情况 下 的支 座 截 面 剪力 、 弯矩 及 跨 中截 面 弯矩 时程 曲线 。 3 4不 同冲击 高度 下的 动力 响应 保持落锤和冲击头尺寸和质量不变， 仅改变冲 击高 度 。随着 冲击 高度 、 冲击 体速 度 的增大 ， 材料 应 变率 增大 ， 材料 屈服 强度 随之 提 高 ，截 面抗 弯 、 抗 剪 承载 力增 大 ， 同时 冲击 体 动 能 增 大 导致 了支 座 截 面 最大 负 弯矩 、 最 大 剪力 和跨 中截 面最 大正弯 矩增 大 ， 这点 在表 6中得 到 了 很 好 的反 映 。从 表 6可 以看 出 ： 随着 冲击 高度 的增 加 ， 构 件跨 中最 大 变 形 、 永 久 变形 也有 所增 加 。 4 结语 ( 1 )采 用L S D YNA 软 件 的 C 0NC R E T E DAM AGE R E L 3模 型 来模 拟混 凝 土 材料 ， 采 用 欧 洲混 凝土 委员会 推 荐 的混 凝 土应 变 率 曲线 ， 采 用 可 考虑材料应变率效用 的 C o wp e r S y mo n d s 材料模型 来模 拟钢 材 ， 不 考虑 钢管 与混 凝土 之 间的滑 移 ， 可 以 很 好 地模 拟钢 管混凝 土 侧 向的冲 击作用 。 S a m e K