沖擊荷載作用下帶下部鋼管柱單層球面網殼結構動力響應分析

摘要：為研究帶下部鋼管柱的單層球面網殼在沖擊荷載下的動力響應，在ANSYS/LSDYNA中建立70 m跨度帶下部鋼管柱的K8型單層球面網殼與正方體沖擊物的數值模型并進行數值分析。根據結構動力響應和最終變形，總結了結構在沖擊荷載作用下的4種響應模式，并分析了各響應模式下的動力響應（沖擊力、節點速度、節點位移、桿件應力）特點。通過改變沖擊點位置以及下部柱高度等參數，分析這些參數對帶下部鋼管柱的單層球面網殼結構響應模式的影響，揭示了結構響應隨各參數的分布規律。研究結果表明：水平側向沖擊作用下結構的沖擊力主要為等腰三角形脈沖荷載；沖擊柱頂點時，上部結構有桿件失效，結構的節點水平位移和桿件應力最大；沖擊柱高度較低時，沖擊力峰值較小，節點最大水平位移和桿件最大應力較大。

關鍵詞：沖擊荷載；網殼；鋼管柱；響應模式；動力響應

中圖分類號：TU312文獻標志碼：A

0引言

沖擊荷載的形式很多，如高空墜物、飛射物撞擊、爆炸、山洪泥石流等，雖然其屬于偶然荷載，但在當今的特殊環境與形勢下，由于戰爭、恐怖襲擊以及施工中的失誤等原因，發生的概率卻在不斷增加。9·11事件發生后，沖擊荷載對結構的作用已經引起學者們的廣泛關注。大跨空間結構多用于大型公共建筑、工業建筑、地標性建筑等重要的建筑工程領域中，此類結構如果遭到襲擊出現嚴重破壞，必將帶來生命及財產的重大損失。

Karagiozova等[15]主要對沖擊荷載作用下的圓柱殼構件進行了系統的研究，分析了圓柱殼的沖擊屈曲特性。Nagel等[6]對錐形截面的薄壁方鋼管在斜向沖擊荷載作用下的動力性能進行了研究。陸新征等[7]對飛機撞擊世貿中心倒塌過程進行了仿真分析。劉鋒等[8]對沖擊荷載作用下框架結構的非線性動力響應進行了研究。目前關于沖擊荷載作用下構件材料和框架的動力響應研究比較成熟，但對于大跨網殼結構方面的抗沖擊研究較少，主要有：李海旺等[910]和史俊亮[11]他對40 m跨度K8型單層球面網殼結構在沖擊荷載下的動力響應進行了研究；范峰等[1214]對60 m跨度K8型單層網殼在沖擊荷載作用下的動力響應、失效模式和失效機理進行了研究；王秀麗等[1516]對基于不同加載點的沖擊荷載作用下K6型單層球面網殼結構動力響應進行了研究。以上有關網殼的文獻主要是關于對網殼上部結構的沖擊，而對下部支撐結構受沖擊的網殼研究則尚未開展。因此，本文研究了沖擊荷載作用于下部結構時網殼動力響應及破壞類型。

1有限元分析模型

本文在有限元軟件ANSYS/LSDYNA中建立跨度為70 m，矢跨比為0.2，環向分割頻數為9的K8型帶下部鋼管柱的單層球面網殼結構數值分析模型[1718]。在網殼的8個主肋方向及2個主肋之間分別設置鋼管柱與上部網殼（環梁）剛接，與地面完全固接，下部柱柱高為10 m。網殼模型見圖1，其圖1網殼模型

采用三節點梁單元Beam161，屋面荷載通過質量單元Mass166施加，沖擊物采用八節點六面體實體單元Solid164，材料模型采用剛性體模型，下部柱及上部桿件所采用的材料模型為分段線性塑性模型，是ANSYS/LSDYNA中專門適用于鋼材的的模型[1214]，考慮了應變率效應，所謂應變率效應就是指應變率提高后，材料內部發生復雜變化，導致其應力應變關系更為復雜，會使材料產生應力硬化現象。該模型可以自定義有效真應力與有效塑性應變的關系，以及應變率對屈服應力σy影響的比例因子，材料模型如下

2.1響應模式

帶下部鋼管柱的單層球面網殼結構當下部柱受沖擊荷載作用時，其動力響應具有一定規律。通過變化沖擊物的質量和速度對下部柱進行沖擊，其中通過變化沖擊物密度來改變沖擊質量[1214]，因此本文不考慮沖擊物尺寸變化對結果的影響。經大量數值模擬算例分析，以結構動力響應及變形為判斷依據，可以發現其響應模式有以下4種：①模式1（結構輕度損傷），直接受沖擊的下部柱進入塑性，其他構件基本處于彈性狀態，結構無明顯變形；②模式2（輕微局部坍塌），直接受沖擊的下部柱進入塑性階段且有較大塑性應變，上部結構塑性進一步發展，出現輕微局部坍塌；③模式3（局部坍塌），直接受沖擊的下部柱破壞失效，上部部分桿件進入塑性，出現局部坍塌，比模式2嚴重；④模式4（結構剪切破壞），下部柱受高速沖擊被切斷，上部結構雖部分進入塑性階段但塑性應變較小，結構無明顯變形。4種響應模式如圖2所示，以下通過4個典型算例來說明這4種響應模式。4個算例沖擊位置均為下部柱柱高為10 m，柱高1/2處，模式1沖擊物質量m=1 t，速度V=5 m·s-1；模式2沖擊物質量m=20 t，速度V=30 m·s-1；模式3沖擊物質量m=50 t，速度V=30 m·s-1；模式4沖擊物質量m=100 t，速度V=300 m·s-1。沖擊荷載下結構的響應模式分布見表3。

2.2動力響應特點

2.2.1沖擊力

沖擊力是指結構受到沖擊荷載的大小，一定程度上反映了結構的損傷程度。4種響應模式的沖擊力時程曲線見圖3。

從圖3中可知，沖擊力主要為等腰三角形脈沖荷載。存在多次碰撞現象，但主接觸過程持時很短，約為2～3 ms。從圖3（a），（b）中可知，沖擊力一般是首次沖擊峰值很大，隨后逐漸減弱。圖3（c）中沖擊力峰值在最后才達到最大，這是由于在低速沖擊下模式3中下部柱失效導致的。一般情況下沖擊力峰值是首次最大，隨后逐漸減弱。

2.2.2節點速度

節點速度代表了結構的動能，速度變化在一定程度上反映了能量的變化規律。選取模式2來分析，模式2中沖擊區節點0和與其相鄰柱節點1的水平速度變化如圖4所示。

圖4中節點速度在很短時間內達到極值，然后衰減至平衡位置不斷波動。從整體看，節點1速度比節點0的波動大，且其幅值都隨時間呈衰減趨勢。說明網殼被沖擊物沖擊后，沖擊物動能轉化為網殼結構的動能及內能，隨著網殼結構阻尼的影響，節點速度逐漸趨于0。