钢结构格构柱抗侧向冲击性能研究.pdf
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1、第 19 卷 第 3 期2024 年 3 月Vol.19 No.3Mar.2024中 国 科 技 论 文CHINA SCIENCEPAPER钢结构格构柱抗侧向冲击性能研究尹小莉1,闫晓彦2,陈鹏程1,焦晋峰1,2,路国运1(1.太原理工大学土木工程学院,太原 030024;2.吕梁学院建筑系,山西吕梁 033001)摘 要:为了比较不同缀材格构钢柱的抗冲击性能,采用有限元软件ABAQUS建立了数值模型,并与现有试验进行对比,校核数值模拟方法的正确性。构造相同承载力设计值的3种不同规格的缀板和缀条格构柱,分析侧向冲击荷载作用下柱子响应过程中冲击力、侧向位移、能量等的变化规律。结果表明:缀条格构柱
2、平台冲击力较大,冲击能量吸收能力较缀板格构柱提高了1.53.4倍,构件抗弯能力更好;缀条格构柱的抗冲击性能与柱分肢间距呈正相关关系;缀板格构柱主要吸能部件为柱肢,占比为85%92%,缀条格构柱主要吸能部件为缀条,占比为50%73%。关键词:格构钢柱;缀材;冲击荷载;侧向位移;能量吸收中图分类号:TU392.1 文献标志码:A文章编号:2095-2783(2024)03-0292-08开放科学(资源服务)标识码(OSID):Research on lateral impact resistance of steel lattice columnsYIN Xiaoli1,YAN Xiaoyan2,
3、CHEN Pengcheng1,JIAO Jinfeng1,2,LU Guoyun1(1.College of Civil Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China;2.Department of Architecture,Lyuliang University,Lliang,Shanxi 033001,China)Abstract:In order to compare the impact resistance of lattice steel columns with different lacin
4、g elements,a numerical model was established using the finite element software ABAQUS.The correctness of the numerical simulation method was checked via comparison with existing experiments.Three different lattice column sizes were constructed with the same load carrying capacity to analyze the chan
5、ges of impact force,lateral displacement and energy during the response of the columns under lateral impact loading.The results show that,compared with those of the lacing plate lattice column,the plateau impact of the lacing bar lattice column is elevated,the impact energy absorption capacity is 1.
6、5-3.4 times higher,and the bending resistance of the member is better.The impact resistance of the lacing bar lattice column is positively correlated with the spacing of the column limbs.Additionally,the main energy absorbing component of the lacing plate lattice column is the column limbs,accountin
7、g for 85%-92%,while the main energy absorbing component of the lacing bar lattice column is the laminated bar,accounting for 50%-73%.Keywords:lattice steel column;lacing element;impact load;lateral displacement;energy absorption格构式钢柱具有自重轻、抗弯抗扭性能好、稳定性高及空间布置更灵活的优点1,多用于工业厂房的承重柱。除了承受静力荷载外,结构在其整个生命周期内会不可
8、避免地受到其他意外荷载的作用,在工厂中可能会遭遇起吊物或运行车辆的撞击 2-3,引起柱子发生局部或整体变形,造成其承载力降低,进而影响整个结构的稳定性。因此,对结构主要受力构件格构柱在冲击荷载下的动力响应及失效模式的研究显得尤为重要。过去几年,学者们对复合钢板4、钢节点5、空心钢管6、H型钢柱7、钢梁8等钢构件的冲击行为进行了广泛研究,发现冲击能量、冲击位置、边界条件、几何尺寸等都是影响构件整体抗冲击性能的关键参数。然而,格构式钢构件在冲击荷载下的力学性能研究十分有限,Cui等9从试验和数值上研究了受到冲击的缀板格构钢柱的性能,结果表明,缀板格构柱在冲击荷载作用下更可能表现出局部破坏模式,其力
9、学性能受多种参数影响,可由平台冲击力(Fplateau)和能量吸收能力(energy absorption capacity,EAC)评估。此外,由于格构柱这类构件具有承重作用,在研究受撞击的柱子的行为和失效模式时,必须考虑轴向荷载的影响,然而,对受冲击的轴压构件的试验研究很少。Zeinoddini等10-12进行了轴向预载圆管在侧向动态冲击荷载下的试验研究,结果表明,预加载对圆管的破坏有显著影响。Al-Thairy 等13和 Zhi等14也有类似的研究结论。综上所述,目前在轴向收稿日期:2023-05-24基金项目:国家自然科学基金资助项目(12172244);山西省基础研究计划资助项目(2
10、02103021223105);山西省自然科技研究基金资助项目(202203021211184)第一作者:尹小莉(1999),女,硕士研究生,主要研究方向为钢结构、空间结构通信作者:陈鹏程,讲师,主要研究方向为钢结构、空间结构,尹小莉,等:钢结构格构柱抗侧向冲击性能研究第 3 期力作用下格构柱遭受侧向冲击荷载的动力性能的相关研究十分有限,合理的柱子设计需要一种适当的分析技术,以充分考虑到柱子在冲击荷载下的失效。本文基于经试验校核的有限元模型对6个不同截面形式的格构柱进行分析,探究在同一承载力设计值下,不同缀材及不同分肢间距的受压格构柱的抗冲击性能。在此基础上,定义评价指标,比较不同柱子的结构特
11、点,以保证在设计条件下选用合适的格构柱,提高结构的整体稳定性,同时研究结果丰富了横向冲击下立柱行为的数据库,可为开发此类荷载条件下格构钢柱的设计方法提供参考。1有限元模型验证为了确认ABAQUS/Explicit模型能够准确描述格构钢柱的冲击响应,并预测轴压格构钢柱在横向冲击下的各种变形模式,通过模拟已发布的试验研究对有限元模型进行验证。1.1试验简介参考Cui等9的试验方案,通过落锤式冲击试验机对6个缀板格构钢柱构件进行侧向撞击试验,获得不同冲击能作用下钢柱的冲击力时程曲线和冲击点处的塑性变形量。其中,6个试件的尺寸规格完全相同,按照冲击能量不同分为L、M、H这3组,对应落锤下落高度分别为
12、0.5、0.7、1.1 m。所用钢材为Q235,柱肢件规格为 4505,试件形式如图 1所示。1.2模型建立数值模型是在有限元软件ABAQUS三维环境中建立的,格构钢柱部分使用三维六面体(砖)元素C3D8,落锤被假定为一个刚体,由R3D4刚体元素模拟,建立的缀板格构钢柱有限元模型如图2所示。格构柱冲击区的网格划分精度为5 mm,其他部分不超过10 mm。钢材材料采用包含弹性和硬化阶段的5阶段模型进行数值模拟15。屈服强度和弹性模量从拉伸试验结果中获得。由于动态荷载下的应变率强化效应,用Cowper-Symends模型来描述材料的应变率,以达到预期的模拟目标。该模型中的系数统一取值为D=6 84
13、4 s-1和p=3.9116。在冲击过程中,通过对刚体附加质量和定义不同的初始冲击速度来模拟落锤下落的不同高度,刚体与柱子之间的相互作用采用通用接触,法向“hard”接触,切向无摩擦。“tie”约束分别用于模拟角钢和缀板之间的焊缝区域以及试件和端板之间的连接区域。边界条件:两端铰接,通过应用参考点,使用“点-面耦合”与端板连接,两端约束除x方向旋转能力的所有自由度。1.3模拟结果验证在试验中,每 2 个试件处于相同的工况,对冲击能量为 1.0 kJ(L1)、1.4 kJ(M1)和 2.2 kJ(H1)这3组试件的试验和数值模拟的变形形态进行比较,如图 3所示。试验与模拟的冲击力-时间曲线对比如
14、图4所示,可以看出,试验与模拟曲线相吻合,模拟的冲击力峰值和持续时间与试验非常接近,模拟的冲击力峰值比试验值稍大,这是受试件本身的刚度和约束形式的影响,随着冲击能量的增加,试件加工误差、支撑刚度和试件尺寸误差的影响逐渐增大。柱肢测点相对变形量见表 1,可以看出,柱肢冲击点试验值与模拟值的相对变形量偏差较小,模拟值略小于试验值,柱肢中跨的相对变形量最大差图1缀板格构钢柱的几何参数和尺寸Fig.1Geometrical parameters and dimensions of built-up battened steel columns图2缀板格构柱的有限元模型Fig.2Finite eleme
15、nt model of built-up battened steel column293第 19 卷 中 国 科 技 论 文值在5 mm以内。值得注意的是,ABAQUS模拟的是理想状态下钢柱受单一冲击荷载的响应过程,系统模型在整个冲击过程中没有能量耗散。两者结果对比表明,当充分考虑材料应变率效应时,有限 元 是 预 测 格 构 柱 在 冲 击 荷 载 下 响 应 的 有 效工具。2不同缀材格构柱有限元分析2.1试件几何尺寸为了研究在同一承载力设计值下、不同截面几何尺寸和缀材形式的四肢格构柱的侧向冲击性能,共设计了6个试件模型。本文格构柱模型来源于某煤场的边柱,该厂房内经常有装载机等大型机械工
16、作,导致部分钢柱可能受大型机械撞击产生变形,如图5所示。试件高度均为10 m,柱肢及缀条全部采用等边角钢,其中缀板格构柱和缀条格构柱各3个,分肢间距分别取值为750、620、480 mm,具体几何尺寸见表2和表3。图3试验与模拟结果对比Fig.3Comparison between experimental and numerical results图4试验与模拟冲击力-时间曲线对比Fig.4Comparison of test and simulated impact force-time curves表1柱肢测点相对变形量Table 1Relative deformation of col
17、umn limb impact points试件L1L2M1M2H1H2变形量/mm试验值6.64.86.08.313.515.5模拟值6.36.37.87.810.510.5试验值/模拟值1.050.760.771.061.291.48图5山西高平某煤场遭受撞击的格构柱Fig.5Lattice steel columns of the factory after impact表2缀板格构柱几何尺寸Table 2Geometric dimensions of built-up battened steel column试件B1B2B3柱肢型号/mm1006906807分肢间距/mm480620
18、750缀板尺寸/mm450320126004151675050020缀板间中心距/mm820865950表3缀条格构柱几何尺寸Table 3Geometric dimensions of lacing bar lattice column试件T1T2T3柱肢型号/mm1006906807分肢间距/mm480620750缀条型号/mm454454505斜缀条倾角/()454545294尹小莉,等:钢结构格构柱抗侧向冲击性能研究第 3 期在ABAQUS/Explicit模型中,格构柱钢材属性和相互作用设置与文献 9 一致。采用一端固定、一端铰接的边界条件和0.25的轴压比来模拟压弯构件的工况。为了
19、模拟现实车辆冲击过程,刚体附加质量为10 t,冲击面尺寸为1 000 mm500 mm。选用C3D8R单元模拟格构柱试件,R3D4单元模拟冲击刚体,划分网格最小精度为60 mm,钢柱有限元模型如图6所示。2.2数值模拟结果与分析考虑到不同型号、不同高度车辆可能撞击柱子的情况,在数值模拟中冲击高度范围取距柱底0.51.5 m。钢结构厂房一般建造于工业区或离市中心较远的郊区,机动车在无限速标志的厂内主干道行驶时,行驶速度不得超过30 km/h,其他道路不得超过20 km/h,进出厂房、危险地段、生产现场等时,最高行驶速度为 5 km/h,因此冲击速度范围取值为 530 km/h。不同类型、不同尺寸
20、格构柱的冲击性能统一在柱子取值高度范围内最薄弱处进行比较。在冲击速度为5 km/h时,格构柱侧向位移与冲击高度的变化曲线如图 7所示。可以发现,在同一冲击能量下,6个柱子的侧向位移均随着高度的增大而增大,并在1.5 m处达到最大位移,因此定义格构柱距柱底1.5 m处为整个柱子在有限取值高度范围内最容易发生破坏的位置,即关键研究部位。2.2.1冲击过程和变形形态以试件B1、T1为例,探究缀板格构柱与缀条格构柱的冲击响应过程,冲击高度选择薄弱点 1.5 m处,冲击速度取值为15 km/h,如图8所示。冲击过程中冲击力与位移可以反映不同时间刚体和格构柱的接触特征,以个体唯一的时间点为界限,将试样受到
21、冲击的过程分为3个阶段:瞬态阶段(O-A)、平台阶段(A-C)、卸载阶段(C-D),其中根据格构柱不同缀材将平台阶段细分为A-B、B-C这2个阶段,如图9所示。瞬态阶段(O-A),当刚体接触到试件时,试件首先在很短的时间内达到与刚体相同的速度,被冲击区瞬间发生塑性变形,根据动量守恒,冲击力迅速增大,在短时间内达到峰值,这一阶段对于不同试件都是一致的。平台阶段(A-C),冲击力在达到峰值惯性图6不同类型格构柱的有限元模型Fig.6Finite element models for different types of lattice column图7不同类型格构柱侧向位移与冲击高度的关系曲线Fi
22、g.7Lateral displacement versus impact height curves for different types of lattice columns图8B1、T1刚体冲击位置Fig.8Rigid body impact position of B1 and T1图9B1、T1的冲击力和位移时程曲线Fig.9Impact force and displacement history for B1 and T1295第 19 卷 中 国 科 技 论 文力后略有下降,随后,刚体反弹,增速放缓,刚体和试件一起向冲击方向移动,试件逐渐发生变形直至在整个冲击过程中达到最大值
23、,标志着平台阶段的结束。不同的是,对于B1,被撞击分肢与未被撞击分肢几乎同步变形,A1-B1阶段观察到柱肢的局部变形和试件的整体弯曲变形,随着试件与刚体接触面积的增大而增大,冲击力达到平台阶段最大值,说明此时试件被撞击区局部刚度达到最大;B1-C1阶段,试件整体变形继续随时间增大,并达到最大值,冲击力变化很小,稳定在456 kN左右。对于T1,A2-B2阶段,被撞击分肢先发生局部变形,该受力区域的钢材料在极短的时间(3.5 ms)内发生塑性变形,消耗了一部分动能,冲击力稳定在350 kN;随后,试件以整体弯曲变形为主,柱肢局部位移增幅很小,冲击力增大进入又一平稳阶段,约为504 kN,持续到侧
24、向位移达到最大,至此B2-C2阶段结束。卸载阶段(C-D),开始于总位移达到最大值时,之后,由于刚体的反弹,整体变形的弹性部分开始恢复,导致侧向位移减小,然而,塑性变形没有恢复,最后刚体与试件的速度降低,刚体与柱子逐渐分离直到静止,冲击力下降到零点,完成整个冲击过程。试件的冲击过程如图10所示,Mises应力主要分布在撞击高度以下。由应力云图可以观察到,B1的变形集中在柱肢上,且撞击侧分肢与未撞击侧分肢侧向位移相差很小,冲击变形过程几乎同步,试件发生整体变形,易破坏点位于撞击区缀板与柱肢连接处和未撞击侧柱肢底部,这2个区域弯曲应力最大。T1格构柱整体应力较大,由于缀条连接两侧分肢刚度较小,受撞
25、击侧分肢首先发生局部变形,随着时间的增加,整体变形发生并逐渐增大。在冲击过程中,冲击区缀材发生屈曲变形,且应力最大集中在距柱底第二区间缀条。2.2.2冲击力和位移时程曲线图11和图12显示了6个格构柱试件在同一冲击能量下的冲击力和位移时程曲线。通过图11可以观察到T1、T3与B1、B3相比,整个响应过程的时间较短,冲击力较大。根据动量守恒定律,当冲击物的速度和质量保持不变时,冲击力的持续时间随着冲击力的增加而减少。由图12得出,缀板格构柱B3的侧向位移最大,B1的侧向位移最小,两者相差11.72 mm,不同分肢间距导致位移量的变化更明显。冲击力与位移量主要受试件抗弯能力的影响,结合图 7可图1
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