劉富強,曲 慧,周新剛,黃文金

(1.煙臺大學(xué)土木工程學(xué)院,山東 煙臺 264005；2. 福建農(nóng)林大學(xué)交通與土木工程學(xué)院, 福建 福州350002)

文獻[1]在實驗的基礎(chǔ)上,提出圓鋼管在受撞擊時鋼管共呈現(xiàn)出3種不同的變形情況:局部凹陷、整體彎曲以及兩者之間的耦合．張善元課題組等[2-5]從1996年到現(xiàn)在進行了大量鋼管沖擊力學(xué)性能的實驗和有限元研究,在對兩端固支圓管的沖擊試驗后,得出了鋼管的整體變形與局部凹陷的耦合程度與鋼管的幾何參數(shù)L/D,D/t有很大關(guān)系的結(jié)論．文獻[6]在做鋼管混凝土的側(cè)向沖擊下的動力響應(yīng)及損傷破壞的研究時,對空鋼管構(gòu)件也做了相關(guān)沖擊試驗．對無軸向壓力鋼管在不同沖擊高度的實驗研究中指出鋼管的變形首先是發(fā)生局部凹陷,當沖擊能量逐漸增大,使鋼管截面凹陷到一定程度時才發(fā)生整體彎曲變形．

在實際工程中,鋼管結(jié)構(gòu)大多受軸壓力作用,例如:高速公路收費站立柱受到屋蓋上荷載的軸向壓力;海洋平臺圓鋼管柱受到自重及其他偶然荷載的軸壓力作用．所以鋼管受到撞擊時,研究軸向壓力對其受沖擊性能的影響就顯得很有必要．文獻[7-10]在從事海洋平臺損傷研究時,進行帶軸力鋼管的準靜態(tài)橫向荷載的實驗研究和有限元分析,提出軸向壓力對鋼管所受橫向沖擊力和沖擊能量有較大影響,研究了不同邊界條件和幾何參數(shù)對變形的影響．通過有限元軟件ABAQUS對試驗進行了模擬,將得到的試驗數(shù)據(jù)與有限元模擬進行比較,兩者結(jié)果基本吻合．證明了管結(jié)構(gòu)的沖擊力學(xué)性能用有限元軟件模擬和預(yù)測很合理．進一步指出軸向力對受橫向沖擊的管結(jié)構(gòu)的變形、承載力影響較大．

本文對一端固支一端施加軸壓比分別為0,0.25和0.5軸壓力的薄壁圓管在經(jīng)受楔形錘體沖擊時的力學(xué)性能進行了有限元研究,得到圓鋼管在不同軸壓力作用下經(jīng)受側(cè)向沖擊后對構(gòu)件破壞模態(tài)、承載力、變形和能量等沖擊性能的影響．

1 有限元模型

1.1 有限元模型的建立

本文采用有限元分析軟件ABAQUS進行沖擊性能模擬,建立的模型分兩部分:楔形錘體和薄壁圓管試件．采用ABAQUS三維實體建模,分析過程中,采用三維八結(jié)點實體單元(C3D8R)．構(gòu)件信息如表1所示．沖擊示意圖如圖1.

表1 構(gòu)件信息表

圖1 軸向力作用下圓管側(cè)向沖擊示意圖

1.2 材料特性

本文采用Cowper-Symonds提出的考慮鋼材應(yīng)變率效應(yīng)的Cowper-Symonds模型進行計算,其動態(tài)屈服函數(shù)為

(1)

圖2 錘體尺寸平面圖

1.3 網(wǎng)格劃分、邊界條件及界面處理

為保證求解速度,薄壁圓管和落錘均以10 mm為網(wǎng)格尺寸的基準,楔形錘體在整個沖擊過程中變形很小,故定義為剛體．共劃分5 832個單元,共10 757個節(jié)點．邊界條件為一端固定,一端可縱向移動,便于施加軸向壓力．在模型中分別定義接觸的法向方向和切向方向,圓鋼管與沖擊錘之間的法向接觸定義為硬接觸(Hard Contact)．圓鋼管與落錘發(fā)生接觸產(chǎn)生切向摩擦力,庫倫摩擦系數(shù)取用鋼材與鋼材表面常用的摩擦系數(shù)0.2．

1.4 荷載的施加

荷載的施加包括兩部分:軸壓力的施加和沖擊荷載的施加．將落錘初始位置設(shè)置在構(gòu)件附近,并為構(gòu)件賦予初始速度的方式加載沖擊荷載;為真實地模擬軸力對薄壁圓管的影響,需在構(gòu)件受沖擊荷載之前施加軸力,并在沖擊過程中基本保持軸力不變．荷載的施加實際上是軸向壓力與沖擊力的耦合,模擬過程分為三部分.

(a)為圓鋼管施加足夠大的軸向力．由于圓鋼管在結(jié)構(gòu)中受到的軸向壓力多為靜力荷載,Step分析步中采用靜力加載軸向力．圓鋼管施加足夠大軸向力的目的是確定鋼管在軸力作用下屈服時彈簧加載的端部位移．在結(jié)果文件中取出一端反力和另一端彈簧位移,得到端反力達到屈服壓力(P=πDtσy)時的彈簧位移Δ．

(b)為圓鋼管施加軸壓比為n的軸向力．同樣采用靜力加載軸向力,彈簧端位移取為nΔ．啟動Restart命令,將有限元模型的沖擊力、應(yīng)力-應(yīng)變和變形的計算結(jié)果輸入到Restart文件中．

(c)為圓鋼管構(gòu)件施加橫向沖擊荷載,對沖擊力和軸向壓力進行耦合分析．在新建的圓鋼管受沖擊力模型中建2個Step,由于沖擊是動力加載,故2個分析步均采用(Dynamic,Explicit)．第一個分析步是將(b)中得到的Restart文件導(dǎo)入到?jīng)_擊模型中,沖擊錘的初始位置設(shè)定在圓鋼管上方5 mm的位置,保證了落錘撞擊鋼管之前軸向力就已經(jīng)施加到圓鋼管上．第二個分析步是為圓鋼管施加沖擊荷載,在Load中為落錘定義速度．本有限元模型不考慮重力加速度對鋼管和落錘的影響．

2 抗沖擊性能分析

2.1 破壞模態(tài)

圖3給出了在相同的低速沖擊荷載作用下,不同大小軸壓比n作用的最終變形模態(tài)和跨中截面最終變形比較圖,從圖3可以看到,3種軸壓力作用下的變形,整體彎曲變形較小,以落錘沖擊構(gòu)件上表面的局部凹陷為主,且軸壓力越大,凹陷量越大．

比較n=0和n=0.25的最終變形模態(tài)可以發(fā)現(xiàn),在低軸壓力作用下,軸壓力對構(gòu)件的最終變形影響不大,而比較n=0和n=0.5軸壓力作用下構(gòu)件的最終變形模態(tài),發(fā)現(xiàn)軸壓力增加到一定量后,對最終的變形影響較大．

圖3 不同軸壓力作用下的變形模態(tài)比較

2.2 沖擊力時程曲線

沖擊力是衡量鋼管抗沖擊性能的重要指標．圖4給出了在沖擊能量相同時,軸壓比分別為0、0.25和0.5時圓鋼管的沖擊力時程曲線對比圖．

圖4 不同軸壓力作用下的沖擊力時程曲線

從圖4可以看出,不同軸壓比作用下的沖擊力時程曲線都是經(jīng)歷了3個階段:迅速加載、平臺值和卸載3個過程．隨著軸向壓力的增加,落錘與圓鋼管剛接觸瞬間的最大沖擊力逐漸增大,這主要是因為施加了軸向壓力將試件壓縮,相當于增加圓鋼管的兩端約束．而且隨著軸向壓力的增加,沖擊力平臺值逐漸降低,沖擊持續(xù)的時間逐漸增加,沖擊力衰減的速度越慢．因為圓鋼管受撞擊后出現(xiàn)橫向撓度,軸壓力的施加使試件產(chǎn)生P-δ效應(yīng),降低了試件的承載能力．

另外,有軸向力相對于無軸壓力的沖擊力曲線在沖擊過程中震蕩顯著,這主要是由于施加軸向力的彈簧不可能實現(xiàn)完全剛性,在沖擊過程中會隨著圓鋼管受撞擊縱向尺寸的改變而伸長或縮短,進而使試件受到軸向力的大小不斷改變,造成沖擊力曲線在沖擊過程中持續(xù)震蕩．

2.3 變形時程曲線

圖5給出了軸壓比分別為0、0.25和0.5時圓鋼管構(gòu)件跨中截面頂點的位移時程曲線．

圖5 不同軸壓力作用下的位移時程曲線

從圖5可以看出,隨著軸壓比的增加,構(gòu)件跨中位置的撓度逐漸增加．落錘沖擊試件后跨中撓度開始向下逐漸發(fā)展,然后落錘沖擊速度降低,位移曲線度逐漸平緩,跨中撓度增長緩慢,隨后試件和沖擊錘的速度降為零,這時跨中撓度達到最大．試件產(chǎn)生的變形有塑性變形和彈性變形,之后試件將儲存在其中的彈性勢能釋放出來,試件的彈性變形恢復(fù),跨中撓度開始降低,由于在模擬沖擊過程中存在摩擦,試件最終保持靜止,撓度達到最終值．

2.4 耗能分析

為衡量沖擊過程中構(gòu)件的能量轉(zhuǎn)換,對鋼管頂點的荷載-位移曲線進行積分得到?jīng)_擊過程中各軸壓比作用下分別耗散的能量(圖6)．在落錘沖擊構(gòu)件的過程中,系統(tǒng)的動能逐漸轉(zhuǎn)化為構(gòu)件變形耗能．而構(gòu)件變形耗能主要由兩部分組成:一部分由構(gòu)件的凹陷變形吸收;另一部分由構(gòu)件的整體彎曲變形吸收．

圖6 各軸壓比的能量耗散分析

從圖6(a)中可以看到,構(gòu)件變形所損耗的能量是隨著軸壓比的增加而逐漸增加．圖6(b)為在沖擊過程中鋼管變形所耗散的能量占系統(tǒng)總能量的比例．從圖6可見,隨著軸壓比的增加,變形耗能占總沖擊動能的比例越來越大．

3 結(jié) 論

本文對一端固定一端可縱向移動薄壁圓鋼管在不同軸壓比作用下經(jīng)受側(cè)向沖擊的動力性能進行了有限元研究,得到了以下主要結(jié)論:

(1)在低軸壓力作用下,軸壓力對構(gòu)件的最終變形影響不大;軸壓力增加到一定量后,對最終的變形影響較大．

(2)隨著軸壓比的增加,落錘與圓鋼管剛接觸瞬間的最大沖擊力逐漸增大,沖擊力平臺值逐漸降低,沖擊持續(xù)的時間逐漸增加,沖擊力衰減的速度越慢．

(3)軸壓比的增加,使構(gòu)件跨中位置的撓度逐漸增加．說明軸向壓力的施加,加劇了圓鋼管相應(yīng)位置撓度的增加．

(4)隨著軸壓比的增加,變形所耗散的能量逐漸增大,變形耗能占總沖擊動能的比例越來越大．

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