爆炸冲击荷载作用下钢框架节点性能研究

谭继可

（长江大学 城市建设学院，湖北 荆州 434023）

0 引言

爆炸冲击荷载对结构的效应属于动力学问题，在现实生活中十分常见［1］。汽车的碰撞、瓦斯爆炸、子弹撞击等都属于爆炸冲击现象［2］。震惊中外的“911”事件之后，如何更好地让建筑物防火防爆引起了全世界的关注。在民用和工业建筑中应考虑爆炸冲击荷载的作用，桥梁和防护结构的设计中也要考虑爆炸冲击荷载的作用，因此，工程领域中应十分关注对结构防爆性能课题的研究［3］。早期对爆炸冲击荷载作用效应的研究主要是满足军事上需要，“911”等事件发生后，越来越多的学者开始对民用建筑和工业建筑的防爆性能进行研究。国外学者Liew 和Chen［4］分析了不同大小的爆炸冲击荷载作用后的钢框架的动力响应，得出了钢框架破坏时的极限爆炸荷载；Izzuddin 等［5］采用了非线性的分析方法研究爆炸冲击荷载作用下钢框架的动力响应，也得出了与Liew 和Chen 相近的结果；北京大学的王成和武际可［6］对飞机撞击世贸大厦的倒塌过程运用爆炸力学的基本原理进行分析，指出了北塔楼先撞后倒而南塔楼后撞先倒的原因；清华大学的陆新征和江见鲸［7］利用了LS－DYNA 程序对飞机撞击世贸大厦导致的倒塌事件进行了数值模拟分析，并根据模拟结果指出了大厦倒塌的主要原因是由于火灾作用下材料强度的大幅度下降使得结构构件无法承受自重而发生倒塌。导致爆炸事故的隐患问题很严重，减少重大、特别重大爆炸事故的发生，对国民生活的安全具有重要意义［8－9］。节点是框架结构的重要组成部分，因此对节点在爆炸冲击荷载作用下性能的研究对整体结构的防爆性能分析具有重要的参考价值。

1 模型尺寸及相关参数

为研究爆炸冲击荷载作用下的钢框架节点力学性能，设计模型如图1 所示［10］。本模型为整体式十字钢框架节点，其中对柱顶施加的竖向荷载Q1= 100 MPa，梁两端施加大小相等方向相反的位移荷载Q2= 0. 01 m。钢材采用弹塑性硬化本构模型：屈服应力为3. 45e8Pa 时，塑性应变为0；屈服应力为4. 5e8Pa 时，塑性应变为0. 1。钢材弹性模量E=2.1e11Pa，泊松比为0.3。

2 有限元模型的建立

2.1 几何建模及单元划分

图1 钢框架节点模型图

根据图1 所示建立有限元模型，并赋予相应的材料属性和单元属性，钢框架节点采用8 节点三维缩减积分单元C3D8R。对模型进行相应切割，并进行网格划分，划分好网格的有限元模型如图2 所示。

图2 有限元模型

2.2 荷载及边界条件

根据图1 所示有限元模型施加相应荷载和边界条件，柱底施加铰接约束（U1=U2=U3= 0），对框架柱顶端施加相应约束来限制柱顶侧向位移（U1=U2=UR2=UR3= 0）；然后在柱顶施加竖向荷载Q1= 100 MPa，最后在梁两端200 mm 范围内施加大小为Q2= 0. 01 m 方向相反的位移荷载。施加相应边界条件和荷载后的有限元模型如图2所示，梁端加载曲线如图3 所示。

图3 梁端荷载加载曲线

3 爆炸冲击荷载作用下节点响应分析

为研究爆炸冲击荷载作用下节点的响应，在钢框架节点右侧梁端200 mm 范围内施加如图4所示时间函数的压力的爆炸荷载［11］。图5 为右侧梁端部节点在不同爆炸荷载P 作用下的位移时程曲线，从图中曲线可以看出，随着爆炸荷载的施加，钢框架梁开始产生变形，梁端最大位移幅值发生在爆炸荷载达到最大值之后；随着爆炸压力荷载P 的增加，梁端的最大位移也随着增加，出现位移最大值的时间也在向后推移，当爆炸荷载降至0 时，框架梁的振动仍然在持续。当爆炸冲击荷载不是很大时，结构构件也产生了较大的变形；爆炸冲击荷载增加到一定程度时，对结构物可以产生很严重的破坏后果，可以使爆炸冲击荷载周围的构件出现较大的变形而出现破坏，甚至整体性倒塌。在实际的结构设计中，应充分考虑爆炸冲击荷载对建筑物结构的破坏，采用必要的构造措施，来提高结构的整体延性，增强耗能能力，可以较好地减少爆炸作用带来的损失。当建筑物采取相应的构造措施来提高结构的延性时，此时总体造价仅仅只增加1% ～2%，而由爆炸引起的经济损失至少可以减少50%［2］。

图4 作为时间函数的压力荷载

图5 爆炸冲击荷载作用下节点端部位移反应谱曲线

3.1 钢材强度与位移反应谱之间的关系

为研究在爆炸冲击荷载作用下，钢材强度不同对节点位移反应谱的影响，采用了如下3种钢材弹塑性硬化本构模型。钢材A：应力为2. 45e8Pa时，塑性应变为0；应力为3. 5e8Pa 时，塑性应变为0.1。钢材B：应力为3.45e8Pa 时，塑性应变为0；应力为4.5e8Pa时，塑性应变为0.1。钢材C：应力为4.45e8Pa 时，塑性应变为0；应力为5.5e8Pa时，塑性应变为0. 1。经分析得出如图6 所示的不同钢材强度的位移反应谱曲线。从图中可以看出随着钢材强度的增加，其位移幅值变小，达到位移最大值的时间也越小，因此，可以得出在一定的条件下，增加钢材的强度可以减少爆炸冲击荷载作用对结构的破坏程度。

图6 不同钢材强度的位移反应谱曲线

3.2 钢材弹性模量与位移反应谱之间的关系

为研究在爆炸冲击荷载作用下，钢材弹性模量不同对节点位移反应谱的影响，分别研究了E1= 1. 1e11Pa、E2= 2. 1e11Pa 和E3= 3. 1e11Pa 3 种弹性模量的钢材，并保证其他参数不变，绘制如图7 所示响应曲线。从图7 中可以看出，在钢材强度一定的情况下，钢材的弹性模量越大，位移曲线的幅值也就越小，其振动周期越小，振动频率也就越大。因此，实际工程中，在满足延性要求的条件下，适当选择弹性模量较大的钢材，可以较好地减少爆炸冲击荷载作用下构件由于变形较大引起的结构破坏。

图7 不同钢材弹性模量的位移反应谱曲线

4 爆炸冲击荷载作用对钢框架滞回特性的影响

为研究钢框架节点在爆炸冲击荷载作用后的低周反复荷载下的性能，采用位移加载方式，在梁两端加载大小为Q2=0.01 m 但方向相反的位移荷载，梁端低周反复荷载加载曲线如图3 所示［10］。本研究较好地利用了ABAQUS 不同分析类型之间的数据传递功能，通过ABAQUS 显式和隐式处理器之间的数据信息传递，可以很好地模拟爆炸冲击荷载对钢框架滞回特性的影响。

图8 钢框架节点滞回曲线

图9 爆炸冲击荷载作用后节点滞回曲线

在梁端施加P = 3 Pa 的爆炸荷载进行数值模拟分析，从图8、图9 对比分析可以得出，爆炸冲击荷载作用后的框架节点，进入了塑性屈服阶段。梁端低周反复荷载加载结构显示其滞回环所围面积减少，耗能能力降低，结构延性降低。因此，爆炸冲击荷载作用，对结构是不利的，在结构设计中应考虑爆炸冲击荷载的不利影响，采取相应的措施提高结构的延性富余来减少爆炸冲击荷载作用对结构的破坏。

为了更好地分析不同梁端爆炸荷载作用对框架节点延性影响程度的规律，分析了压力荷载分别为P = 1 Pa、P = 3 Pa 和P = 5 Pa 时，对应的钢框架节点塑性耗能曲线（图10）和骨架曲线（图11）。从钢框架节点塑性耗能曲线可以看出，梁端压力爆炸荷载值越大，节点塑性耗费也就越大，其具有的耗能能力也就越低，延性也就越低；从钢框架节点骨架曲线可以看出，随着爆炸荷载幅值增加，钢框架变形能力有所降低，即延性有所降低。因此，从图10 和图11 可以得出爆炸荷载压力的增加可以降低结构的延性，使结构耗能能力减弱。

图10 钢框架节点塑性耗能曲线

图11 钢框架节点骨架曲线

5 结语

结合ABAQUS 分析模块中的Explicit 处理器和Standard 处理器各自的优势，对钢框架节点数值模拟，分析其在爆炸冲击荷载作用下的位移时程曲线，得出了提高钢材的强度和弹性模量，可以减少爆炸冲击荷载对结构的破坏；并利用ABAQUS 中不同分析过程之间数据传递功能，研究了爆炸冲击荷载作用对钢框架节点滞回性能的影响。爆炸冲击荷载作用时，对结构会产生很大的冲击力，使构件产生了较大变形而发生破坏，对结构是不利的。因此，在结构设计中应充分考虑爆炸冲击荷载对结构的不利影响，选用对结构防爆性能有利的材料，并采取相应的加强措施提高结构的整体延性来减少爆炸冲击荷载对结构的破坏程度。爆炸冲击荷载作用下钢框架节点性能的研究对结构防爆设计有一定的借鉴意义。由于爆炸一般与火灾结合在一起，此处只研究了爆炸冲击荷载对结构影响，如何考虑爆炸冲击荷载和火共同作用对结构整体性能的影响有待进一步研究。

［1］ 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，2007，26（1）：8－9.

［2］ 孙建运. 爆炸冲击荷载作用下钢骨混凝土柱性能研究［D］.上海：同济大学，2006.

［3］ 侯延利. 爆炸冲击荷载作用下钢筋混凝土柱的动态响应分析［D］.西安：长安大学，2008.

［4］ Liew J Y R，Chen H. Explosion and fire analysis of steel frames using fiber element approach［J］. Journal of Structural Engineering，2004，130（7）：991－1000.

［5］ Song L，Lzzuddin B A，Elnashai A S，et al. Integrated adaptive environment for fire and explosion analysis of steel frames－Part Ⅰ：analytical models［J］. Journal of Constructional Steel Researeh，2000，53（1）：63－85.

［6］ 王成，武际可.从爆炸力学的观点分析世贸大厦塔楼倒塌的过程［J］.力学与实践，2001，23（6）：73－75.

［7］ 陆新征，江见鲸.世界贸易中心飞机撞击后倒塌过程的仿真分析［J］.土木工程学报，2001，34（6）：8－10.

［8］ 董湘乾. 框架结构在爆炸冲击作用下的动力响应分析研究［D］.长沙：湖南大学，2010.

［9］ 王新民，潘常甲.工业爆炸及其应用技术探讨［J］.河南理工大学学报，2009，28（3）：282－288.

［10］王玉镯，傅传国. ABAQUS 结构工程分析及实例详解［M］.北京：中国建筑工业出版社，2010：94－111.

［11］庄茁，由小川. 基于ABAQUS 的有限元分析和应用［M］.北京：清华大学出版社，2009：239－251.