不同宽厚比H形截面钢梁抗冲击性能*

2018-10-16陈鹏程路国运

爆炸与冲击 2018年6期

陈鹏程，程欣，弓磊，路国运

(太原理工大学建筑与土木工程学院，山西太原 030024)

H形钢由于截面开展、结构合理、抗弯能力强、制造工艺简单，常被用作建筑结构的主要承重构件[1-2]。然而H形钢作为建筑结构中最重要的构件之一，可能遭受爆炸[3]和冲击[4-5]的作用，由于冲击造成的损伤或破坏可能导致结构的局部或整体垮塌，造成灾难性后果，因此，H形钢在冲击作用下的动力响应已引起人们的广泛关注。

针对H形钢梁、柱抗冲击性能的实验研究，霍静思等[5]设计了4个截面几何参数完全相同的热轧H形双跨约束钢梁落锤冲击实验，分析了落锤冲击速度和冲击能量对钢梁动态抗冲击力学性能的影响规律。崔娟玲等[6]完成了两种不同边界约束条件下的12个热轧H形钢柱侧向冲击实验。在有限元模拟分析方面，主要以参数分析为主，包括冲击物的不同参数如冲击质量、速度、位置、能量及形状，还包括构件本身参数如材料强度、构件长度等。H.Al-Thairy等[7]建立了轴向压力下钢柱受侧向撞击的有限元模型，对钢柱在侧向冲击载荷作用下的3种失效模式进行模拟，并与前人实验结果对比，验证了模型的有效性，在此基础上，利用该模型分析冲击位置、冲击质量、设计轴力对H形钢柱失效模式的影响。H.Wang等[8]利用LS-DYNA建立了钢梁受横向冲击的有限元模型来模拟钢梁受意外冲击载荷的撞击，并讨论不同参数对钢梁抗冲击性能的影响。F.S.Makarem等[9]通过新的钢材本构VA[10]对轴向压力下的HY-100高强H形钢柱受侧向撞击的动态行为进行了数值模拟分析。在理论研究方面，H.Al-Thairy[11]基于能量守恒原理建立了轴向压力下钢柱受侧向撞击的理论模型，该模型假设整个变形过程是准静态的，材料模型为理想弹塑性。这种准静态假设也经常用在钢管[12-13]、钢管混凝土[12]、钢筋混凝土[14]等构件受横向冲击的理论研究中。此外，欧洲规范 Eurocode1 Part 1-7[15]根据车辆和道路类型给出了车辆撞击结构的等效静力经验值。

可见，有关H形钢动力响应问题的研究主要以载荷参数对抗冲击性能的影响为主，对构件几何参数影响的研究较少，对截面宽厚比对构件破坏模式的影响的研究更少。然而，通过已有静力实验证明，H形钢截面宽厚比对构件的性能有显著的影响[16-17]，因此，为了保证结构的安全性、提高施工的经济性，有必要对不同宽厚比H形截面钢构件的抗冲击性能进行研究。本文将在实验研究的基础上，采用非线性有限元方法，对横向冲击作用下H形钢梁的破坏过程进行模拟，并对模拟结果进行验证。设计截面参数，系统分析翼缘宽厚比、腹板高厚比对构件破坏的影响，为H形钢梁的抗冲击设计提供参考。

1 有限元模型

1.1 模型建立

采用ABAQUS /explicit 对冲击过程进行模拟，建立三维模型。在相同的网格密度下，壳单元比实体单元更节省计算时间和内存，因此，钢梁采用四节点减缩积分格式的三维壳单元(S4R)进行网格划分，为了保证计算精度，对着重分析的关键部位跨中(构件全长的1/3)做网格加密处理，网格大小为10 mm。落锤为圆柱体，采用实体单元(C3D8R)，由于模拟撞击过程中落锤变形很小，且落锤变形对计算结果影响很小，因此利用rigid body将落锤刚性化。有限元模型及截面尺寸定义如图1所示。

钢材的力学性能由双线性弹塑性模型来描述，其中屈服强度σy=235 MPa，极限强度取σu=395 MPa，弹性模量E=206 GPa，强化段切线模量取Eh=E/100=2.06 GPa，泊松比为0.3。由于应变率对钢材的屈服强度有显著影响[18]，因此需要考虑应变率效应。选用Cowper-Symonds 模型[18]:

(1)

钢梁左右两侧均为铰支，在建模过程中，对支座进行简化处理。采用动态耦合将左右两端截面的所有节点耦合在参考点上，然后约束参考点的所有线位移Ux、Uy、Uz及绕y轴和z轴转动位移Ur,y、Ur,z等5个自由度，仅允许其绕x轴的转动。这样不但还原了支座截面的连接方式，也保证了大变形后，两端截面依然能够保持原截面。在锤头上定义初始速度实现冲击载荷的加载。落锤与梁之间的接触定义为无摩擦的面-面接触，使用动力学接触方法。

1.2 模型校核

霍静思等[5]完成了4个H形钢梁的冲击实验，这里选取其中的2个(HR43、HR56)作为对比，详细实验条件参见文献[5]。根据1.1节的建模方法对文献[5]的实验进行了数值模拟。建模过程中加强板和钢梁通过定义绑定约束连接。

图2为模拟工况HR43、工况HR56冲击过程中得到的冲击力时程曲线及跨中位移时程曲线与实验的对比，并将主要数据列于表1中，可以看出：模拟得出的曲线及主要数据与实验结果对比较好。

试件编号冲击力峰值Fmax/kN实验模拟实验/模拟冲击力平台值Fstable/kN实验模拟实验/模拟跨中最大位移dmax/mm实验模拟实验/模拟HR43812.3833.20.975240.6232.31.03759.661.80.964HR56815.2839.50.971249.3243.71.023121.3123.10.985

图3为工况HR43试件的跨中局部变形的实验和模拟对比图。可以看出局部变形主要集中在靠近加劲肋两侧，上翼缘加强板两侧应力较大，钢梁板件保持完好，未发生撕裂破坏。数值模拟结果与实验结果基本吻合。

综上可知，本文中建立的有限元模型及采用的材料模型、单元类型、接触算法、计算控制方法等较为合理，能够较为准确地模拟H形钢梁在冲击作用下的破坏过程。

1.3 参数设置

现有研究表明，H形钢截面宽厚比对其承载力有显著的影响[17,19]，因此考虑不同截面宽厚比对其抗冲击性能的影响很有必要。本文中参照实验标准H形钢截面尺寸H250 mm×125 mm×6 mm×9 mm[5]，为建模方便，固定板件中心线的尺寸，即取截面高h=250 mm+tf，宽b=125 mm，设计不同翼缘、腹板厚度的H形钢，分析翼缘、腹板宽厚比对H形钢梁抗冲击性能的影响，具体模拟工况如表2所示，其中第1组模拟主要研究腹板厚度对H形钢抗冲击性能的影响；第2组模拟主要研究翼缘厚度对H形钢抗冲击性能的影响。落锤为圆柱体，底面直径150 mm、高300 mm，冲击能量E=33.8 kJ。翼缘宽厚比rf、腹板高厚比rw为[17,19]：

(2)

(3)

式中：fyf和fyw分别为翼缘和腹板的屈服应力。

表2 模拟工况Table 2 Schedule of numerical tests

试件的命名方法：H代表H形钢梁，试件编号第1个数字代表腹板厚度，后面的数字代表翼缘厚度。

2 数值结果分析

2.1 变形模式

为深入了解构件的抗冲击性能，需要对结构在冲击荷载下的变形及应力发展进行分析。这样也有利于分析不同宽厚比H形截面钢梁的抗冲击性能。本节以H510为例，重点分析构件的最终变形模式及应力发展。

图4所示为工况H510钢梁在冲击作用下的整体破坏变形图。可以看出，钢梁发生了明显的弯曲变形，材料塑性变形主要分布在跨中冲击部位附近。钢梁上部塑性区域范围较底部更窄，等效塑性应变值较大。钢梁中部塑性变形区域较小，且等效塑性应变值很小。从跨中变形图可以看出，由于落锤的冲击作用，上翼缘发生了较为明显的局部变形，主要表现为：跨中加载区的上翼缘有明显的下凹。由跨中截面最终变形图可知，腹板变形很小，变形后截面仍基本保持为H形。

2.2 应力发展

图5所示为H形钢梁在冲击作用下的整体应力发展图。从图5可知，应力发展大致经历了峰值段、平台段和卸载段3个阶段。因此，选取冲击力时程曲线这3个阶段具有代表性的时刻(见图5)来进行应力发展分析。这里，S11为钢梁的轴向正应力。在冲击初始时刻A(第1次峰值)，钢梁的高应力区分布在跨中很小的范围内，在跨中处，腹板顶部受压、底部受拉，且底部受拉区域小于顶部受压区域。由于落锤冲击的瞬时作用使得落锤周围的上翼缘材料受拉、其余部分受压、下翼缘受拉。在跨中以外部分的应力水平较低，说明冲击瞬间梁的响应是局部响应。

到时刻B时，钢梁发生了部分卸载，从图中可以看出，跨中加载区的上翼缘压应力明显减小。与时刻A的应力分布相比，此时钢梁整体应力水平降低，且应力分布发生了较大变化，钢梁的高应力区分布范围明显变大，大约是时刻A的6倍。

在进入时刻C后(平稳期)，冲击力进入平稳阶段，腹板高应力区逐渐向跨中发展。相比于上一时刻，钢梁跨中应力界限上升较为明显，且高应力区域集中在跨中的顶部和底部，以跨中为中心，应力水平向两侧递减。

到时刻D时，钢梁开始卸载，此时冲击即将结束，其整体应力水平开始降低，应力界限降低，另外还可以看出，腹板底部及下翼缘受拉区域消失，沿轴向在腹板接近中间的位置出现了较高水平的拉应力。

3 宽厚比对钢梁抗冲击性能的影响

3.1 冲击力时程曲线的影响

图6(a)所示为翼缘厚度9 mm，腹板厚度分别为5、6、7、8、9 mm时的H形钢梁冲击力时程曲线。从图中可以看出，不同腹板厚度钢梁的冲击力时程曲线经历了峰值段、平稳段和下降段3个阶段。随着腹板厚度的增大，即腹板宽厚比的减小，冲击力峰值增长且增长较为明显。冲击力的平台值也增大，平台持续的时间逐渐减小。到达冲击力峰值所需要的时间基本相同，但整个冲击过程持续的时间逐渐减小。腹板厚度从5 mm增加到9 mm时，冲击力平台值增加了59.09 kN，增幅23.59%，冲击力峰值增加了330.54 kN，增幅54.28%。可以得出随着腹板厚度的增加，冲击力峰值的增长幅度要大于平台值，说明腹板厚度对冲击力峰值的影响比对平台值的影响大。

图6(b)所示为腹板厚度为5 mm，翼缘厚度分别为6、8、10、12、14 mm时的H形钢梁冲击力时程曲线。随着翼缘厚度的增大，即翼缘宽厚比减小，冲击力峰值增长，冲击力的平台值也增大。到达冲击力峰值所需要的时间几乎相同，但整个冲击过程持续的时间及平台持续的时间逐渐减小。翼缘厚度从6 mm增加到14 mm时，冲击力平台值增加了131.26 kN，增幅65.25%，冲击力峰值增加了146.87 kN，增幅27.15%，可以看出，翼缘厚度对冲击力平台值的影响比对峰值的影响大。由于冲击过程中翼缘主要发生弯曲变形，翼缘厚度增大导致翼缘抗弯刚度增加，因此，钢梁抵抗变形的能力增强。

进一步分析可知，在冲击能量一定的情况下，如果腹板、翼缘增加相同的幅度，翼缘厚度的增长对冲击力平台值的影响较大，腹板厚度对冲击力峰值的影响较大。

3.2 耗能的影响

在落锤冲击钢梁的过程中，钢梁产生了较大的塑性变形，在冲击部位形成了塑性铰，可以有效地吸收落锤的初始冲击动能。钢梁的耗能Ed源于冲击力做的功，通过对钢梁冲击力-位移曲线积分得到[8]：

(4)

式中：F为钢梁在某时刻的冲击力，δ为该时刻冲击力所对应的位移值，通过对钢梁耗能的研究可以有效地评价其抗冲击性能。由于冲击过程中钢梁主要发生弯曲变形，腹板和翼缘厚度增大导致钢梁抗弯刚度的增加，因此，钢梁抵抗变形的能力增强。

图7(a)所示为不同腹板厚度的钢梁耗能与跨中位移的关系曲线。从图7(a)中可以看出，不同腹板厚度的钢梁耗能随跨中位移变化的趋势基本相同。在相同跨中位移下，随着翼缘厚度的增加，钢梁的耗能逐渐增加。图7(b)所示为不同翼缘厚度的钢梁耗能与跨中位移的关系曲线。从图7(b)中可以看出，不同翼缘厚度的钢梁耗能随跨中位移变化的趋势基本相同，即钢梁耗能增长速率先逐渐减小，再渐渐趋于平稳。通过对冲击力时程曲线的分析可知，这是由于在开始时冲击力不稳定，后来冲击力慢慢趋于平稳，因此从平台阶段开始，耗能与跨中挠度几乎为正比关系。从图中还可以看出，在相同跨中位移下，随着翼缘厚度的增加，钢梁的塑性耗能逐渐增加。

通过对比可以看出，翼缘对钢梁耗能的影响大于腹板的影响。因此，翼缘对钢梁抗冲击性能的影响大于腹板。

(5)

式中：Ed为钢梁最终的耗能，δu为钢梁跨中的最终位移。

图8(a)所示为不同腹板厚度的钢梁单位位移耗能与腹板厚度的关系曲线。从图8(a)中可以看出，随着腹板厚度的增加，钢梁单位位移耗能增长速率先减小后增大。在腹板厚度为7、8 mm时，钢梁单位位移耗能近似相等，说明腹板厚度在此区间内对钢梁单位位移耗能影响较小。进而说明在该冲击速度下，当腹板厚度介于7～8 mm之间时，腹板厚度对钢梁的抗冲击性能影响很小。不同翼缘厚度的钢梁单位位移耗能见图8(b)，从图中可以看出，钢梁的单位位移耗能随着腹板厚度和翼缘厚度的增大而增大，翼缘厚度的增加与单位位移耗能的增长近似呈线性关系。