冲击荷载作用下带下部钢管柱单层球面网壳结构动力响应分析

摘要：为研究带下部钢管柱的单层球面网壳在冲击荷载下的动力响应，在ANSYS/LSDYNA中建立70 m跨度带下部钢管柱的K8型单层球面网壳与正方体冲击物的数值模型并进行数值分析。根据结构动力响应和最终变形，总结了结构在冲击荷载作用下的4种响应模式，并分析了各响应模式下的动力响应（冲击力、节点速度、节点位移、杆件应力）特点。通过改变冲击点位置以及下部柱高度等参数，分析这些参数对带下部钢管柱的单层球面网壳结构响应模式的影响，揭示了结构响应随各参数的分布规律。研究结果表明：水平侧向冲击作用下结构的冲击力主要为等腰三角形脉冲荷载；冲击柱顶点时，上部结构有杆件失效，结构的节点水平位移和杆件应力最大；冲击柱高度较低时，冲击力峰值较小，节点最大水平位移和杆件最大应力较大。

关键词：冲击荷载；网壳；钢管柱；响应模式；动力响应

中图分类号：TU312文献标志码：A

0引言

冲击荷载的形式很多，如高空坠物、飞射物撞击、爆炸、山洪泥石流等，虽然其属于偶然荷载，但在当今的特殊环境与形势下，由于战争、恐怖袭击以及施工中的失误等原因，发生的概率却在不断增加。9·11事件发生后，冲击荷载对结构的作用已经引起学者们的广泛关注。大跨空间结构多用于大型公共建筑、工业建筑、地标性建筑等重要的建筑工程领域中，此类结构如果遭到袭击出现严重破坏，必将带来生命及财产的重大损失。

Karagiozova等[15]主要对冲击荷载作用下的圆柱壳构件进行了系统的研究，分析了圆柱壳的冲击屈曲特性。Nagel等[6]对锥形截面的薄壁方钢管在斜向冲击荷载作用下的动力性能进行了研究。陆新征等[7]对飞机撞击世贸中心倒塌过程进行了仿真分析。刘锋等[8]对冲击荷载作用下框架结构的非线性动力响应进行了研究。目前关于冲击荷载作用下构件材料和框架的动力响应研究比较成熟，但对于大跨网壳结构方面的抗冲击研究较少，主要有：李海旺等[910]和史俊亮[11]他对40 m跨度K8型单层球面网壳结构在冲击荷载下的动力响应进行了研究；范峰等[1214]对60 m跨度K8型单层网壳在冲击荷载作用下的动力响应、失效模式和失效机理进行了研究；王秀丽等[1516]对基于不同加载点的冲击荷载作用下K6型单层球面网壳结构动力响应进行了研究。以上有关网壳的文献主要是关于对网壳上部结构的冲击，而对下部支撑结构受冲击的网壳研究则尚未开展。因此，本文研究了冲击荷载作用于下部结构时网壳动力响应及破坏类型。

1有限元分析模型

本文在有限元软件ANSYS/LSDYNA中建立跨度为70 m，矢跨比为0.2，环向分割频数为9的K8型带下部钢管柱的单层球面网壳结构数值分析模型[1718]。在网壳的8个主肋方向及2个主肋之间分别设置钢管柱与上部网壳（环梁）刚接，与地面完全固接，下部柱柱高为10 m。网壳模型见图1，其图1网壳模型

采用三节点梁单元Beam161，屋面荷载通过质量单元Mass166施加，冲击物采用八节点六面体实体单元Solid164，材料模型采用刚性体模型，下部柱及上部杆件所采用的材料模型为分段线性塑性模型，是ANSYS/LSDYNA中专门适用于钢材的的模型[1214]，考虑了应变率效应，所谓应变率效应就是指应变率提高后，材料内部发生复杂变化，导致其应力应变关系更为复杂，会使材料产生应力硬化现象。该模型可以自定义有效真应力与有效塑性应变的关系，以及应变率对屈服应力σy影响的比例因子，材料模型如下

2.1响应模式

带下部钢管柱的单层球面网壳结构当下部柱受冲击荷载作用时，其动力响应具有一定规律。通过变化冲击物的质量和速度对下部柱进行冲击，其中通过变化冲击物密度来改变冲击质量[1214]，因此本文不考虑冲击物尺寸变化对结果的影响。经大量数值模拟算例分析，以结构动力响应及变形为判断依据，可以发现其响应模式有以下4种：①模式1（结构轻度损伤），直接受冲击的下部柱进入塑性，其他构件基本处于弹性状态，结构无明显变形；②模式2（轻微局部坍塌），直接受冲击的下部柱进入塑性阶段且有较大塑性应变，上部结构塑性进一步发展，出现轻微局部坍塌；③模式3（局部坍塌），直接受冲击的下部柱破坏失效，上部部分杆件进入塑性，出现局部坍塌，比模式2严重；④模式4（结构剪切破坏），下部柱受高速冲击被切断，上部结构虽部分进入塑性阶段但塑性应变较小，结构无明显变形。4种响应模式如图2所示，以下通过4个典型算例来说明这4种响应模式。4个算例冲击位置均为下部柱柱高为10 m，柱高1/2处，模式1冲击物质量m=1 t，速度V=5 m·s-1；模式2冲击物质量m=20 t，速度V=30 m·s-1；模式3冲击物质量m=50 t，速度V=30 m·s-1；模式4冲击物质量m=100 t，速度V=300 m·s-1。冲击荷载下结构的响应模式分布见表3。

2.2动力响应特点

2.2.1冲击力

冲击力是指结构受到冲击荷载的大小，一定程度上反映了结构的损伤程度。4种响应模式的冲击力时程曲线见图3。

从图3中可知，冲击力主要为等腰三角形脉冲荷载。存在多次碰撞现象，但主接触过程持时很短，约为2～3 ms。从图3（a），（b）中可知，冲击力一般是首次冲击峰值很大，随后逐渐减弱。图3（c）中冲击力峰值在最后才达到最大，这是由于在低速冲击下模式3中下部柱失效导致的。一般情况下冲击力峰值是首次最大，随后逐渐减弱。

2.2.2节点速度

节点速度代表了结构的动能，速度变化在一定程度上反映了能量的变化规律。选取模式2来分析，模式2中冲击区节点0和与其相邻柱节点1的水平速度变化如图4所示。

图4中节点速度在很短时间内达到极值，然后衰减至平衡位置不断波动。从整体看，节点1速度比节点0的波动大，且其幅值都随时间呈衰减趋势。说明网壳被冲击物冲击后，冲击物动能转化为网壳结构的动能及内能，随着网壳结构阻尼的影响，节点速度逐渐趋于0。