外钢管对钢管混凝土柱抗撞击性能影响的有限元分析

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(1.太原理工大学 建筑与土木工程学院，山西 太原 030024；2.中核新能核工业工程有限责任公司，山西 太原 030006)

引言

近些年，车辆撞击桥梁[1-2]、轮船撞击桥梁[3]、飞机撞击建筑[4-5]、列车撞击建筑[6-7]等事故造成了重大人员伤亡与巨大损失。有学者建议，将普通的钢筋混凝土柱建成钢管混凝土柱，因此，钢管对构件受力性能的研究就很有价值。

国内不少专家与学者已进行了一些研究，如田力等[8]对钢筋混凝土柱的抗冲击性能进行了ANSYS模拟分析，提出一系列参数对钢筋混凝土柱力学性能的影响。许斌等[9-10]对钢筋混凝土梁进行了抗冲击性能的试验研究。廖维张等[11]发现加固钢筋混凝土梁时用高强钢绞线网-高性能的砂浆可有效提高抗撞击性能。侯川川[12]对低速横向冲击荷载下圆钢管混凝土构件的力学性能进行了研究。本文结合已有的研究，开展了外包钢管对钢管混凝土柱抗冲击性能的影响模拟试验及分析。

1 网格划分，边界条件和界面处理

在运用ANSYS模拟试验时，应对构件进行网格划分。当网格划分数量太大时，计算时间就会大大增加，网格划分数量较小时，计算精度便会下降。合理的网格划分对有限元的模拟非常重要。本文对网格划分的尺寸采用20 mm，在保证计算精度的前提下减少运算时间。采用材料属性为SOILD，钢锤采用RIGID材料，混凝土采用Mat 72R3损伤模型，钢管未采用损伤模型。本文主要选取钢管混凝土柱和空钢管柱在两端固支情况下的数据进行模拟，所以在模拟中对试件的两端进行了固端约束。钢管与混凝土的接触采用共节点方式进行粘结，钢锤与钢管的接触采用“面面自动”接触，摩擦系数选取为0.3。

在进行ABAQUS模拟时，钢材单轴应力应变关系采用韩林海五阶段模型，即弹性段、弹塑性段、塑性段、强化段和二次塑流段。钢材强度在快速加载时会比常规加载时有较大的提高，这称为钢材的应变率效应。对于低碳钢而言，当D=40.4，p=5时，模型可以较为准确地反应钢材屈服强度的提高。混凝土采用ABAQUS中的塑性损伤模型进行模拟。材料单轴受拉受压应力应变关系均采用ABAQUS中的模型。该模型引入了约束效应系数，考虑了钢管约束作用对混凝土强度的提高。冲击过程属于动力学问题，所以采用ABAQUS中的动力学模块Explicit进行求解。因钢管符合壳的特征，将钢管建成壳单元，混凝土建成可变形的实体单元。落锤建成200 mm×100 mm×50 mm的刚性实体，并设置其质量。钢管和混凝土的应力应变均较大，故其网格划分较密。落锤的网格划分对计算精度影响不大，为了计算方便，其网格密度可较低。钢管和混凝土之间采用切向摩擦系数为0.6的罚接触，法向采用硬接触。钢管和落锤之间采用法向硬接触，切向可近似认为无摩擦。考虑到冲击过程实际的持续时间以及曲线记录的完整性，将分析总时长设置为0.035 s。

2 模型验证

为验证计算模型的合理性，本文对文献[12]中的钢管混凝土柱落锤试验进行建模和分析计算。

2.1 冲击力时程曲线

在钢管混凝土柱落锤试验中，冲击力时程曲线如图1所示。

(a)

(b)

(c)图1 冲击力时程曲线

由图1(a)可知，当冲击高度为5.5 m，钢管屈服强度为247 MPa，钢锤质量为465 kg时，冲击力峰值为805.65 kN，冲击力时程为0.24 s，平台值为250 kN；ANSYS模拟该工况时，冲击力峰值为821.58 kN，冲击力时程为0.24 s，平台值为235 kN，模拟的吻合度较高。

由图1(b)可知，当冲击高度为2.5 m，钢管屈服强度为247 MPa，钢锤质量为920 kg时，冲击力峰值为633.05 kN，冲击力时程为0.33 s，平台值为245 kN；ANSYS模拟该工况时，冲击力峰值为710.98 kN，冲击力时程为0.32 s，平台值为225 kN，模拟的吻合度较高。

由图1(c)可知，当冲击高度为8.0 m，钢管屈服强度为247 MPa，钢锤质量为465 kg时，冲击力峰值为783.49 kN，冲击力时程为0.37 s，平台值为210 kN；ANSYS模拟该工况时，冲击力峰值为815.78 kN，冲击力时程为0.24 s，平台值为210 kN，模拟的吻合度较高。

2.2 跨中位移时程曲线

在钢管混凝土柱落锤试验中，跨中位移时程曲线如图2所示。

(a)

(b)图2 跨中位移时程曲线

由图2(a)可知，当冲击高度为5.5 m，钢管屈服强度为247 MPa，钢锤质量为465 kg时，跨中最大位移为70.50 mm，残余挠度为58.60 mm；ANSYS模拟该工况时，跨中最大位移为74.70 mm，残余挠度为71.28 mm；ABAQUS模拟该工况时，跨中最大位移为61.43 mm，残余挠度为59.39 mm。

由图2(b)可知，当冲击高度为2.5 m，钢管屈服强度为247 MPa，钢锤质量为920 kg时，跨中最大位移为70.80 mm，残余挠度为60.69 mm；ANSYS模拟该工况时，跨中最大位移为79.84 mm，残余挠度为75.41 mm；ABAQUS模拟该工况时，跨中最大位移为67.17 mm，残余挠度为64.76 mm。

3 钢管强度分析

3.1 模拟冲击力时程曲线

通过模型的模拟研究表明，钢管强度对试件抗冲击能力有着较大的影响，所以对不同强度的钢管进行了模拟，ANSYS和ABAQUS模拟冲击力时程曲线分别如图3、图4所示。

(a)

(b)

(c)图3 ANSYS模拟冲击力时程曲线

由图3(a)、图4(a)可知，ANSYS模拟冲击高度为5.5 m，钢管屈服强度为300 MPa，钢锤质量为465 kg的工况时，冲击力峰值为908.46 kN，平台值为270 kN，冲击力时程为0.23 s。结果表明，在这种工况下钢管强度提高0.2时，冲击力峰值提高0.097，平台值提高0.14。ABAQUS模拟该工况时，冲击力峰值降低6.5%，平台值提高6.0%。

由图3(b)、图4(b)可知，ANSYS模拟冲击高度为2.5 m，钢管屈服强度为300 MPa，钢锤质量为920 kg的工况时，冲击力峰值为829.44 kN，平台值为265 kN，冲击力时程为0.32 s。结果表明，在这种工况下钢管强度提高0.2时，冲击力峰值提高0.16，平台值提高0.17。ABAQUS模拟该工况时，冲击力峰值提高0.2%，平台值提高7.0%。

(a)

(b)

(c)图4 ABAQUS模拟冲击力时程曲线

由图3(c)、图4(c)可知，ANSYS模拟冲击高度为8.0 m，钢管屈服强度为300 MPa，钢锤质量为465 kg的工况时，冲击力峰值为920.16 kN，平台值为270 kN，冲击力时程为0.22 s。结果表明，在这种工况下钢管强度提高0.2时，冲击力峰值提高0.13，平台值提高0.28。ABAQUS模拟该工况时，冲击力峰值下降5.0%，平台值提高30.0%。

模拟试验结果表明，钢管强度的提高可以提高冲击力时程曲线的峰值与平台值。

3.2 模拟跨中位移曲线

通过模型的模拟研究表明，钢管强度对试件抗冲击能力有着较大的影响，所以对不同强度的钢管进行了模拟，ANSYS和ABAQUS模拟跨中位移曲线分别如图5、图6所示。

由图5(a)、图6(a)可知，ANSYS模拟冲击高度为5.5 m，钢管屈服强度为300 MPa，钢锤质量为465 kg的工况时，跨中最大位移为63.27 mm，残余挠度为57.40 mm。同样的工况用ABAQUS模拟时，跨中最大位移为58.11 mm，残余挠度为54.60 mm。

(a)

(b)

(c)图5 ANSYS模拟跨中位移曲线

由图5(b)、图6(b)可知，ANSYS模拟冲击高度为2.5 m，钢管屈服强度为300 MPa，钢锤质量为920 kg的工况时，跨中最大位移为58.81 mm，残余挠度为54.14 mm。同样的工况用ABAQUS模拟时，跨中最大位移为63.52 mm，残余挠度为60.16 mm。

由图5(c)、图6(c)可知，ANSYS模拟冲击高度为8.0 m，钢管屈服强度为300 MPa，钢锤质量为465 kg的工况时，跨中最大位移为68.39 mm，残余挠度为62.43 mm。同样的工况用ABAQUS模拟时，跨中最大位移为60.88 mm，残余挠度为58.09 mm。

模拟试验结果表明，钢管强度的提高可以减小跨中位移的峰值和残余挠度。

(a)

(b)

(c)图6 ABAQUS模拟跨中位移时程曲线

4 结论

考虑到钢管和混凝土之间，钢管和钢锤之间的接触关系，建立了两端固定钢管混凝土柱受横向撞击荷载时的ANSYS和ABAQUS有限元分析模型。通过计算结果与已有试验结果对比，验证了有限元计算模型的正确性。

计算结果表明，在钢管混凝土中，外包钢管的强度是影响试件冲击力峰值、平台值、跨中位移和残余挠度的主要因素，随着外包钢管强度的提高，可以提高试件的冲击力峰值和平台值，减小最大跨中位移和残余挠度，表明提高外包钢管强度可提高试件的抗撞击性能。