汽车撞击下钢筋混凝土框架的动态响应与破坏模式研究.pdf

第 3 3卷 第 2期 2 0 1 6年 3月 建筑科 学与 J o u r n a l O f Ar c h i t e c t u r e 工程 学报 a n d Ci v i l En g i n e e r i n g Vo 1 3 3 M a r NO 2 2 O1 6 文章编号 ： 1 6 7 3 2 0 4 9 ( 2 0 1 6 ) 0 2 0 0 4 1 - 0 7 汽车撞击下钢筋混凝土框架的动态响应与 破坏模式研究 田 力 。 ， 胡 国辉 ( 1 天津 大学 建筑工程学 院， 天津3 0 0 0 7 2 ； 2 天津大学 滨海土木工程结构与安全 教育 部重点实验室 ， 天津 3 0 0 0 7 2 ) 摘要 ： 为 了研 究汽车撞 击 下钢 筋混凝 土整 体框 架 结构 的动 态响 应 、 损 伤机 理 及破 坏模 式 ， 运 用 显 式 动 力分析软 件 ANS YS L S _ DYNA 建立 6层钢 筋混 凝 土框 架结 构模 型 ， 并 对不 同车 速撞 击下 汽 车 与钢筋混凝土框架角柱和边中柱的破坏过程进行仿真模拟。结果表 明： 汽车撞击 角柱和边 中柱的 损伤破 坏过 程相 同； 最大碰撞 力与撞 击速度 呈 线性 关 系 ； 中国规 范对 汽车等 效碰 撞 力的取 值偏 于不 安全 ； 在 汽 车的撞 击作 用 下 ， 被撞 柱柱 底发 生 弯剪破 坏 ， 柱顶发 生 剪切破 坏 ， 结构 的动 态反 应具 有局 部 性 ， 只与被 撞柱 及周 围相 邻的 构件 有关 。 关 键词 ： 汽 车撞 击 ； 钢 筋混凝 土框 架 ； 损 伤机 理 ； 破 坏模 式 ； 线性 关 系 中图分 类号 ： T U3 7 5 4 文 献标 志码 ： A S t u d y o n Dy na mi c Re s p o n s e a n d Fa i l u r e M o d e s o f Re i nf o r c e d Co n c r e t e Fr a m e Und e r Ve h i c l e I m p a c t TI AN Li 。H U GUO h ui ( 1 S c h o o l o f Ci v i l En g i n e e r i n g，Ti a n j i n Un i v e r s i t y ，Ti a n j i n 3 0 0 0 7 2 ，Ch i n a ；2 Ke y La b o r a t o r y o f Co a s t Ci v i l S t r u c t u r e S a f e t y o f Mi n i s t r y o f Ed u c a t i o n，Ti a n j i n Un i v e r s i t y， Ti a n j i n 3 0 0 0 7 2，Ch i n a ) Ab s t r a c t ：I n or d e r t o s t ud y t he d yn a mi c r e s p on s e， d a ma ge m e c ha ni s m a nd f a i l ur e m o de of r e i n f o r c e d c o n c r e t e( RC)f r a me ，e x p l i c i t d y n a mi c a n a l y s i s s o f t wa r e ANS YS L S DYNA wa s u s e d t o bu i l d a mo de l s t r uc t ur e of s i x s t o r y r e i n f o r c e d c on c r e t e f r a me，t he n t h e da m a g e pr o c e s s e s o f c o r ne r c o l umn a n d s i d e c ol u m n o f t he r e i n f o r c e d c o nc r e t e f r a me un de r v e h i c l e i m pa c t wi t h d i f f e r e nt s p e e ds we r e s i mul a t e d The r e s ul t s s ho w t ha t t h e f a i l ur e p r o c e s s of c or n e r c ol u m n i s s a me wi t h t h e f a i l u r e pr o c e s s o f s i de c ol u m n un de r v e hi c l e i mpa c t The r e l a t i o ns hi p o f ma xi mum i m p a c t f o r c e a n d i m p a c t ve l oc i t y i s l i n e a r Eq ui v a l e n t v a l ue o f t h e c a r c ol l i s i o n f o r c e i n Chi n e s e s p e c i f i c a t i on i s uns a f e U n de r ve hi c l e i mpa c t ， t h e be nd i ng s he a r f a i l ur e o c c ur s a t t h e bo t t om o f t h e c o l umn，a nd t h e s he a r f a i l u r e o c c ur s a t t h e t o p o f t he c o l u m n；t h e d y na mi c r e s po ns e of t h e s t r u c t u r e ha s l i m i t a t i o ns ， a n d i t i s onl y r e l a t e d wi t h t h e c ol l i s i o n c o l umn a nd t he s ur r o und i n g a d j a c e n t me mb e r s Ke y wo r d s ：v e h i c l e i mp a c t ；r e i n f o r c e d c o n c r e t e f r a me ；d a ma g e me c h a n i s m；f a i l u r e mo d e ；l i n e a r r e l a t i on s h i p 收稿 日期 ： 2 0 1 5 - 1 0 2 1 基金项 目： 国家 自然科学基金项 目( 5 0 6 7 8 1 1 6 ， 5 1 1 7 8 3 1 0 ) 作者简介 ： 田力( 1 9 7 0 一 ) ， 男 ， 天津市人， 副教授 ， 工学博士 ， E ma i l ： l t i a n t j u e d u c n 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 4 建筑科 学与工程学报 2 0 1 6生 顶水平位移来看 ， 碰撞发生时 ， 试验和有限元分析结 果一样 ， 柱顶水平位移很快达到最大值 ， 试验所得为 3 3 mm， 模拟所得为 3 0 F fi l T I ； 试验 时， 位移传感器损 坏未能记录下降段的位移 曲线 ( 图 5中的水平段) ， 但是有限元分 析得 出的下 降段位 移与实 际情 况吻 合 。从碰撞力来看 ， 试验时通过高速视频 获得加速 度 ， 根 据 牛顿第 二 定律 算得 最 大碰 撞 力 为 1 1 7 0 k N， 有 限元 分析 计算 的最 大碰 撞 力为 1 3 0 0 k N。由 于试验分析计算时忽略了阻尼 、 摩擦等很多 因素 ， 所 以碰撞力偏小。以上分析可以说明本文中采用有限 元分析汽车撞击建筑物的仿真模拟是可靠的。 2 钢筋混凝土框架在汽车不 同速度撞 击下的动态响应分析 汽车分别在 2 O ， 5 0 ， 8 0 k m h 的速度下撞击 钢 筋混 凝土 框架 结构 的 角柱 和边 中柱 。在 进行 数值 处 理 时 ， 为 了消 除高 频 的数值 噪声 ， 对 分析 结果 采用 算术平均值数字滤波法处理 ， L S P R E P OS T 中的滤 波 参数 P o i n t Av e r a g e取为 2 l 2 。 2 1 碰撞 力 汽车与钢筋混凝土框架结构在碰撞过程中的相 互作用非常复杂， 本文通过数值模拟得 到了各种工 况 下相 应 的碰 撞 力 时 程 曲 线 ( 图 7 ) 和 最 大 碰 撞 力 ( 表 2 ) ， 并 绘制 出 了最 大 碰撞 力 F 与速 度 的关 系 曲线 ( 图 8 ) 。 从 图 7和表 2可 以看 出 ， 在相 同速 度下 ， 汽 车撞 击 角柱 和边 中柱 的碰 撞力 时程 曲线 以及 最 大碰撞 力 是完 全 相 同的 ， 达到 最大 碰撞 力 的时 间也完 全一 致 ， 即汽车撞 击 角 柱 和边 中柱 的相互 作 用 过 程是 相 同的 。 由图 8拟 合 得 到 碰 撞 角 柱 的最 大 碰撞 力 F 与 速度 72的关 系 曲线方 程 为 F一 1 4 03 3 + 35 6 67 R 一 0 9 99 8 同理 ， 拟 合 得 到碰 撞 边 中柱 的最 大 碰 撞力 与 速 度 的关 系 曲线方 程为 F= = = l 4 4 6 7 v+ 35 5 33 R。 一 0。 9 97 8 R。 非常接近 1 ， 说 明最大碰撞力 和汽车速度 的 变化呈线性关 系， 且其线性相关性很强 。 公路桥涵设计通用规范 2 中第 4 4 3条规 定 ： 汽 车撞 击 力标 准值 在 车辆 行驶 方 向取 1 0 0 0 k N。 关于正面碰撞乘员保护的设计规则 中规定 ： 在碰 撞 瞬 问 ， 车 辆 速 度 应 为 5 0 k m h 。很 明 显 ， 当汽车速度达 到 5 0 k m h 时 ， 碰撞力 已经超过 1 0 0 0 k N， 说 明 中国规 范 中给 出 的汽 车碰 撞 力偏 于 图 7 汽车 以不 同速度撞击钢筋 混凝土框架的碰撞力 时程 曲线 Fi g 7 I mpa c t Fo r c e Ti me Hi s t or y Cu r v e s of RC Fr a me Un de r Ve hi c l e I mpa c t wi t h Di f f e r e nt S pe e ds 表 2 不同速度下的最大碰撞力 Ta b 2 M a x i mu m I mp a c t Fo r c e s Und e r Di f f e r e nt Sp e e ds 速度 ( k m h ) 2 0 5 O 8 0 时间 s 0 1 7 5 0 0 8 0 0 0 5 5 最 大碰撞 角柱 6 4 1 1 0 5 1 1 4 8 3 力 k N 边中柱 6 4 3 1 1 1 2 1 5 1 1 Z R -K 图 8 最大碰撞 力与速 度的关系 曲线 Fi g 8 Re l at i o n Cur v e s o f M a xi mu m I mpa c t Fo r c e a n d S pe e d 不安 全 。 2 2位 移分 析 取 A， B， C， D四个节点作为研究对 象， A点 和 B点位于被撞角柱上 ， C点和 D点位于被撞边 中柱 上； A点和 c点位于被撞面 的背 面， 距离地面 的高 度为 1 2 0 0 r l l I T I ， B点和 D点位于被撞 面的正面， 距 离地面的高度为 4 2 0 0 ml T l 。本文将 A点和 C点作 为研究被撞部位的节点代表 ， 给出了两点 的水平位 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2期 田 力， 等： 汽车撞击下钢筋混凝土框架的动态响应与破坏模式研究 4 5 移时程曲线， 如图 9所示； 将 B点和 D点作 为整体 结构竖 向倒塌的节点代表 ， 给出了两点的竖向位移 时程 曲线 ， 如 图 1 O所示 。 图 9 汽车以不同速度撞击钢筋混凝土框架的 水平位移时程曲线 Fi g 9 Ho r i z on t a l Di s pl ac e me nt Ti me Hi s t o r y Cur v e s o f RC Fr a me Und e r Ve h i c l e I mp ac t wi t h Di f f e r e nt Sp e e d 图 1 0 汽车以不同速度撞 击钢筋 混凝 土框 架的 竖向位移时程 曲线 Fi g 1 0 Ve r t i c a l Di s p l a c e me n t Ti me Hi s t o r y Cu r v e s o f RC Fr a me Un de r Ve h i c l e I mp a c t wi t h Di f f e r e n t S pe e ds 由图 9 ， 1 0可知 ， 当汽车速度为 2 0 k m h 时 ， 被撞柱 的水平位移及竖 向位移基本为 0 ， 由第 3节 可知最大碰撞力也相对较小 ， 此 时汽车 的撞击对被 撞柱的影响非常微小。当汽车速度达到 5 0 k m h 及 8 0 k m h 时 ， 被 撞柱 的水 平位 移 达到 以米 计 量 的单位 级 别 ， 随着 时 间 推 移 还 有 继 续 增 大 的 趋 势 。 相对水平位移 ， 竖向位移只有厘米的单位级别 ， 且最 大也只有 5 c r f l 左右 ， 并且随着结构内力 的重分布 ， 框架结构很快又恢复 了稳定 ， 并没有表现出整体 向 下倒塌 的趋势。由以上分析可知 ： 被撞柱为角柱或 边 中柱 的位 移 响应 基 本 相 同 ； 汽 车 的侧 向撞 击 作 用 还不足 以使整个结构发生连续性倒塌。 3 损伤机理及破坏模式分析 本 节 只研究 汽 车在 速 度 为 5 O k m h 时 撞 击 钢筋混凝土框架的角柱和边中柱的损伤机理和破坏 模式 。为了更加清 晰表达撞击部位 的损伤破 坏情 况 ， 图 1 1 给出了不同时刻 汽车撞击钢筋混凝土框 架结 构 角柱 的塑性 应变 云 图 。 在 汽 车 的侧 向撞 击 作 用 下 ， 角 柱 和边 中柱 的 损 伤破坏过程是非常相似的 ， 因此 ， 本文只给出了撞击 角柱 的应 变 云 图 。在 碰 撞 开 始 阶 段 ， 被 撞 柱 就 产 生 了很大的塑性应变， 框架柱 被撞击部位 的背侧混凝 土受拉破碎 ， 保护层发生严重剥落， 被撞柱柱底呈现 弯剪破坏的形态 ； 随着碰撞接触的继续深入 ， 撞击部 位的混凝土完全破坏 ( L S DYN A 计算软件 中表 现 为单元删除) ， 柱底深入基础的纵向钢筋达到最大的 塑性 应变 ， 且被 拉 断 。相 邻结 构 的应 力 、 应 变逐 渐增 加 ， 达到塑性应变 的单元越来越多。当计算时间达 到 0 3 S的 时候 ， 被 撞 柱 柱 顶 与 二 层 梁 的 交界 面处 发生断裂 ， 混凝土单元 开始 删除， 钢筋被拉断 ， 此处 呈 现 出完全 的 剪切 破 坏 形 态 ， 梁 柱 节 点 处 为结 构 中 达到塑性应变单元 最多 的位 置。当计算 时间达到 0 4 S 的时候， 被撞柱柱顶被完全剪断 ， 其混凝土保 护层完全剥落 ， 钢筋直接暴露于空气之 中。 由图 1 1可知 ， 在汽车的撞击作用下 ， 由于碰撞 时间极 短 ， 碰 撞 力峰值 大 ， 钢筋 混凝 土框 架 结构 的破 坏具有局部性， 高应变 区主要集中在被撞柱及其周 围相邻 的结构构件 中， 距离被撞部位较 远的结构构 件并没有发生太大的损伤 ， 整体框架结构也没有发 生 连续 性倒 塌 的现象口 。 4 结语 ( 1 ) 汽车撞击下钢筋混凝土框架结构 的角柱与 边中柱的损伤破坏过程基本相 同， 即其被撞柱柱顶 的边界约束条件基本相同。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2期 田 力， 等： 汽车撞击下钢 筋混凝土框架的动态响应与破坏模式研 究 4 7 7 8 9 1 O 1 1 E l 2 1 3 s h u i An a l y s i s o n Da ma g e o f Ur b a n B r i d g e s Ca u s e d b y V e h i c l e C o l l i s i o n J J o u r n a l o f C h o n g q i n g J i a o t o n g U n i v e r s i t y： Na t u r a l S c i e n c e ， 2 0 1 1， 3 0 ( 1 )： 1 9 2 1 ， 1 06 彭勃 阳 桥 墩一 车 辆撞 击 力 的 实 验研 究 与 仿 真分 析 D 北京 ： 北京交通大学 ， 2 0 1 3 P ENG B o y a n g Ex p e r i m e n t a l Re s e a r c h a n d S i mu l a t i o n An a l y s i s o f Br i dge Pi e r - ve h i c l e I mpa c t Fo r c e D B e i j i n g ： B e i j i n g J i a o t o n g Un i v e r s i t y ， 2 0 1 3 余敏， 查晓雄 实空心钢 管混凝 土柱在 汽车撞 击下 的性能研 究 口 建 筑 钢结 构进 展 ， 2 0 1 1 ， 1 3 ( 1 ) ： 5 7 64 YU M i n， ZHA Xi a o x i o n g B e h a v i o u r o f S o l i d a n d Ho l l o w Co n c r e t e Fi l l e d S t e e l Tu b e Co l u mn s Un d e r Ve h i c l e I mp a c t - J P r o g r e s s i n S t e e l B u i l d i n g S t r u c t u r e s ， 2 0 1 1 ， 1 3 ( 1 ) ： 5 7 - 6 4 李 国强 ， 孙建 运 ， 王开强 爆 炸冲击荷 载作 用下框架柱 简化分析模型研 究 J 振 动 与冲 击 ， 2 0 0 7 ， 2 6 ( 1 ) ： 8 1 2 LI Gu o q i a n g ， S UN J i a n y u n， W ANG Ka i q i a n g Re s e a r c h o n S i mp l i f i e d Mode l of Fr a m e Co l u m n Un de r E x p l o s i v e I mp a c t J J o u r n a l o f Vi b r a t i o n a n d S h o c k ， 2 00 7， 26( 1 )： 8 - 1 2 王兴国 ， 苏幼坡 ， 葛楠 ， 等 侧 向撞击作 用下钢 筋混 凝土框 架柱简化模 型研究 J 广西大学学报 ： 自然科 学版 ， 2 0 1 1 ， 3 6 ( 1 ) ： 1 5 2 0 W ANG Xi n g - g u o， S U Yo u p o ，GE Na n， e t a 1 Re s e a r c h o n a S i m p l i f i e d Re i n f o r c e d Co n c r e t e Fr a me C o l u mn Mo d e l S u b j e c t e d t o L a t e r a l I mp a c t L o a d J J o u r n a l o f Gu a n g x i Un i v e r s i t y： Na t u r a l S c i e n c e ， 2 0 1 1， 3 6 ( 1 )： 1 5 - 2 0 陆新征 ， 张炎圣 ， 宁静 ， 等 超高 车辆与立 交桥 梁碰 撞 的高精度非线性有 限元仿 真 J 石 家庄 铁道 学院 学报 ， 2 0 0 7 ， 2 0 ( 1 ) ： 2 9 3 4 LU Xi n z h e n g， Z HANG Ya n - s h e n g， NI NG J i n g， e t a 1 Si mul a t i o n of I mpa c t Be t we e n Ov e r - h i g h Tr uc k a n d Vi a duc t Ba s e d on Hi gh Pr e c i s i o n No nl i n e a r Fi ni t e E1 一 e me n t An a l y s i s J J o u r n a l o f S h i j i a z h u a n g R a i l w a y I n s t i t u t e ， 2 0 0 7， 2 0 ( 1 ) ： 2 9 3 4 G B 5 0 0 1 0 -2 0 1 0 ， 混凝土结构设计规 范 s GB 5 0 01 0- 2 01 0。 Co de f o r De s i g n of Co nc r e t e St r u c t u r e S 刘卫宗 爆 炸荷 载作用下 高层钢筋混凝 土结 构连续倒 塌机制与倒塌模式分析 D 天津 ： 天津大学 ， 2 0 1 3 LI U W e i z ong An a l y s i s of Pr o gr e s s i ve Co l l a ps e 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9 E 2 o 2 1 E 2 2 M e c h a n i s m a n d Co l l a p s e M o d e s o f H i g h - r i s e Re i n f o r c e d C o n c r e t e S t r u c t u r e Un d e r B l a s t L o a d i n g D Ti a n j i n： Ti a n j i n Un i v e r s i t y ， 2 0 1 3 田 力 钢筋混凝土结构在 汽车撞击 作用下的性能研 究 D 天津 ： 天津大学 ， 2 0 1 4 TI AN Li Re s e a r c h o n P e r f o r ma n c e s o f Re i n f o r c e d C o n c r e t e C o l u mn Un d e r Ve h i c l e I mp a c t D Ti a n j i n ： Ti a n j i n Un i v e r s i t y， 2 0 1 4 余敏 不同类型柱子在汽车撞击作用下 的性 能研究 D 深圳 ： 哈尔滨工业 大学 深圳 研究生院 ， 2 0 0 7 YU M i n Re s e a r c h o n t h e Ca p a b i l i t y o f Di f f e r e n t Ty p e s o f Co l u mn s Cr a s h e d b y Di f f e r e n t Ty p e s o f C a r s D S h e n z h e n ： Ha r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y S h e n z h e n Gr a d u a t e S c h o o l ， 2 0 0 7 Li v e r mo r e So f t wa r e Te c hno l o gy Co r p or a t i o n LS- DY NA Ke y wo r d Us e r s Ma n u a l M L i v e r mo r e ： L i v e r mo r e S o f t wa r e Te c h n o l o g y Co r p o r a t i o n， 2 0 0 6 MALVAR L J ， ROS S C ARe v i e w o f S t r a i n Ra t e Ef f e c t s f o r Co n c r e t e i n Te n s i G n Di s c u s s i o n a n d Cl o s u r e J AC I Ma t e r i a l s J o u r n a l ， 1 9 9 9 ， 9 6( 5 ) ： 6 1 4 - 61 6 HAL L QUI S T J O L S - DY NA T h e o r y Ma n u a l M Li ve r mo r e： Li v e r mor e S of t war e Te c h no l o gy Co r p or a t i on， 2 00 6 肖 岩 ， 陈林 ， 肖 果 ， 等 防撞 柱实车碰 撞性能 研 究 J 振动 与冲击 ， 2 0 1 3 ， 3 2 ( 1 1 ) ： 1 - 6 XI AO Ya n， CHEN Li n， XI AO Gu o ， e t a 1 Te s t s f o r An t i r a m B o l l a r d s B a s e d o n T r u c k C o l l i s i o n J J o u r n a l o f Vi b r a t i o n a n d S h o c k， 2 0 1 3 ， 3 2 ( 1 1 ) ： 1 - 6 白中浩 ， 曹立波 ， 乐 中耀 数字滤波技术在汽车碰撞试 验 中的应 用 研 究 J 湖 南 大 学学 报 ： 自然 科 学 版 ， 2 0 0 5， 3 2 ( 2 )： 1 3 - 1 6 BAI Zh on g ha G，CAO Li b o，YUE Zh on g y a oRe s e a r c h on t he Appl i c a t i o n of Di g i t a l Fi l t er Te c hno l o gy i n Au t o C r a s h T e s t J J o u r n a l o f Hu n a n Un i v e r s i t y ： Na t u r a l S c i e n c e s ， 2 0 0 5， 3 2 ( 2 )： 1 3 1 6 J TG D 6 0 -2 0 0 4 ， 公 路桥涵设计通用规范 S J TG D6 0 - 2 0 0 4， Ge n e r a l C o d e f o r De s i g n o f Hi g h wa y B r i d g e s a n d C u l v e r t s S 余 同希 ， 华云龙 结构 塑性 动力学 引论 M 合肥 ： 中 国科学技术 大学出版社 ， 1 9 9 4 YU Ton g xi ，HUA Yun l o ngSt r uc t u r a l Pl a s t i c i t y D y n a mi c s I n t r o d u c t i o n M He f e i ： P r e s s o f Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y o f Ch i n a ， 1 9 9 4 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m