爆炸荷载作用下钢桁架收费雨棚的动力响应与破坏模式

郭晋欣，张金香，崔永林，王天新

（1.山东省交通规划设计院有限公司，山东 济南 250031；2.齐鲁高速公路股份有限公司，山东 济南 250101）

引言

近年来国内、外恐怖袭击事件频繁发生，给国家发展和人民的生命财产造成了巨大的损失。在各种突发性强烈爆炸荷载作用下如何有效防护各类结构构件免遭破坏甚至倒塌，并将可能发生的生命和财产损失降至最低，己经成为摆在我们面前亟待解决的一项重要而现实的课题[1]。为此，国内外专家、学者在这方面做出了一些研究，文献[2-3]分析了在爆炸冲击荷载作用下钢材的本构关系和动力性能；文献[4]主要研究平板网架结构在不同支撑柱的布置形式的情况下，受到室外爆炸荷载作用时的动态响应和破坏倒塌模式。

1 本构模型

在收费雨棚模拟过程中，采用ANSYS/LS-DYNA材料模型库中与应变率有关的随动塑性材料模型，应变率按照Cowper-Symonds（简称C-S模型）考虑，屈服应力：

式中：σ0—初始屈服应力，Pa；ε—应变率；C、P—C-S模型应变率参数，取C=40 s-1，P=5[7]； —有效塑性应变；Ep—塑性硬化模量，由计算确定：

选用钢材基本参数见表1。

表1 钢材材料参数

2 爆炸荷载作用下收费雨棚的动力响应和破坏模式

2.1 计算模型

济南某收费站收费雨棚整个结构上部采用管桁架，下部采用圆管柱支撑，见图1。因结构为左右完全对称结构，本节取与雨棚柱相连的半榀管桁架作为几何模型。单榀管桁架模型为四边形桁架，榀桁架宽1.2 m，高1.2 m，每榀桁架总长82.6 m。桁架是由两根上弦（D159×8）和两根下弦（D159×8）以及与上下弦杆件相贯的腹杆（D83×4、D114×5）连接组成的平行四边形的空间桁架，又由四根圆管支撑（D273×16）与雨棚柱（D660×16）连接在一起，雨棚所用管件材质均为Q235。雨棚管件见表2。

图1 济南某收费雨棚结构布置/mm

表2 雨棚管件

应用ANSYS/LS-DYNA软件进行数值模拟时，采用beam161单元，材料模型采用等向随动强化Plastic Kinematic模型，分别模拟雨棚边柱、中柱承受爆炸荷载作用时雨棚的动力响应。爆炸荷载典型超压时程曲线见图2，爆炸荷载作用时间为0.3～1.5 s；在雨棚上弦施加均布恒载、活荷载，荷载值为2 340 N，作用时间为 0～1.5 s。

2.2 动力响应

雨棚边柱、中柱承受200 kN/m爆炸荷载作用时，特征节点（A1为悬臂端节点，B1017为16.5 m跨中节点，C2370为27.6 m跨中节点）Z向位移-时程曲线见图3、图4，由此判断该工况下不同柱子位置对结构抗爆性能的影响。

图2 爆炸典型超压时程曲线[5]

图3 边柱为受爆柱时特征节点Z方向位移-时程曲线

图4 中柱为受爆柱时特征节点Z方向位移-时程曲线

当边柱与中柱分别为受爆柱时，虽然边柱和中柱皆为圆形截面，并且截面尺寸一致，但由于边柱与中柱的边界条件不同以及柱顶承受的竖向荷载的差异，在承受爆炸荷载的作用时，特征节点的竖向位移-时程曲线存在一定的差异。（1）边柱为受爆柱时，悬臂端节点1最大位移为-142.27 mm；跨中节点B1017最大位移为-49.39 mm；节点C2370 Z向位移第一峰值为27.50 mm。（2）当中柱为受爆柱时，悬臂端节点1最大位移为33.10 mm；跨中节点B1017最大位移为-42.78 mm；而跨中节点C2370 Z向最大位移值为-85.97 mm。由此可知，当中柱直接承受爆炸荷载时，对跨中造成的影响要大于边柱为受爆柱时造成的影响，所以雨棚在该工况下发生破坏极有可能是由于中柱附近杆件的屈曲破坏引起的。

2.3 破坏模式

雨棚边柱、中柱在250 kN/m、245 kN/m的爆炸冲击荷载作用下，t=0.639 s时的应力云图见图5、图6。可知，当t=0.639 s时，柱脚和跨中的应力随着爆炸荷载的增加而持续增大，柱跨中出现局部屈曲现象，而桁架也有较为明显的变形，并且在与受爆柱相连的腹杆出现了屈曲现象。由此可知，雨棚在该工况爆炸荷载作用下，柱脚发生剪切破坏、与桁架相连1～2单元格杆件发生屈曲破坏，是导致单榀桁架发生整体倒塌的主要原因。

图5 边柱为受爆柱时雨棚应力云图

图6 中柱为受爆柱时雨棚应力云图

3 结语

（1）在爆炸荷载作用下，中柱在受到爆炸荷载作用时对跨中产生的破坏比边柱的影响更大。（2）该工况下雨棚柱脚及与雨棚柱相连的1～2单元区域内杆件较为薄弱，未来设计时可增大与雨棚柱相连桁架1～2单元格内弦杆壁厚及腹杆截面尺寸，以达到增强其抗爆性能的目的；对于雨棚柱柱脚可采取在柱脚区域浇筑混凝土防撞墩的措施，增加柱脚刚度。