冲击荷载作用下整体隔震模型动力响应研究*

宋荣方, 李利莎

(1 郑州工程技术学院土木工程学院，郑州 450044；2 河南铸盾人防工程安装有限公司，洛阳 471023)

0 引言

国内外研究表明,在爆炸作用下,即使地下工程不产生破坏,但爆炸在建(构)筑物内部产生的冲击震动也会造成建(构)筑物中人员伤亡和设备损坏[1]。为保护建(构)筑物内部的人员和设备,单体和地板隔震措施是目前工程中最常采用的两种形式,这两种都是对单个的仪器设备或空间进行的局部隔震措施。但随着信息技术的快速发展,信息系统已变得越来越集成化,在很小的空间内往往会出现集聚大量人员设备的现象;另外主体工程大多都是多层结构,采用单个的局部隔震措施,不但很难做到对所有对象进行标准一致的隔震,还会出现需要对多层结构分别进行隔震处理的问题,这样造成了施工上的困难和空间上的浪费。运用整体隔震措施可以有效地解决出现的以上问题[2-3]。因此,亟需开展整体隔震研究工作,为以后地下建(构)筑物实施整体隔震研究、设计和施工提供重要参考。目前,已有学者对整体隔震结构在天然地震和爆炸荷载下的隔震性能进行了一些研究[4-6]。

为减少冲击荷载对结构内人员和设备造成的损伤,设计了由鼓型钢丝绳隔震器作为承重构件的整体隔震结构,其最直接的作用就是降低结构内部响应加速度峰值,有效性体现在整体隔震结构的隔震性能上,可以用隔震率进行评价。为研究不同加速度峰值和作用时间对整体隔震结构隔震效果的影响,开展了相关的整体隔震冲击试验。冲击试验主要研究了在单一方向冲击作用下,整体隔震结构模型的瞬态响应及隔震性能。目前,有限元方法为解决工程中复杂的分析计算问题提供了一种有效的途径,可以方便地改变工况参数来模拟各种试验方案,能够节约大量的试验时间和经费,并为今后的研究分析提供许多重要的数据信息。

本文采用LS-DYNA瞬态分析程序,对整体钢结构模型的单向冲击试验进行了动力学数值仿真,并将其与试验测试结果作了比较分析。

1 试验概况

实际的整体隔震结构为2层钢结构,采用1∶6缩尺比,试件具体几何尺寸见图1。试件主要由模拟结构底板、楼板、顶板及侧墙的钢板和模拟结构承重柱的槽钢组成,底板和楼板采用8mm厚Q235钢板,顶板及侧墙采用5mm厚Q235钢板,承重柱采用8号槽钢,见图2。整个试件由底部8个鼓型钢丝绳隔震器来承重,隔震器与底部的台面板相连接;布置在试件侧面的12个鼓型钢丝绳隔震器与固定于台面板的12个侧向支架相连接,鼓型钢丝绳隔震器如图3所示。

图2 整体钢结构试件试验模型

图3 鼓型钢丝绳隔震器

冲击试验在模拟爆炸的冲击试验机上完成,可以有效地模拟武器爆炸震动环境[7],其工作原理主要是由高压气体推动冲击锤撞击台体,使台体产生一定的冲击加速度,以实现模拟爆炸冲击震动的加载[8-9]。李伯松等[7]对冲击试验机的结构组成与原理、技术指标等进行了详细介绍。本次试验进行了19组垂直向冲击(其中2次试冲击),25组水平向冲击。其中垂直向冲击试验气压最小、最大值分别为0.14MPa和0.20MPa;水平向冲击试验气压最小、最大值分别为0.06MPa和0.12MPa。

2 有限元数值模拟方法

2.1 计算模型

试验研究的是三维空间问题,依据实际几何尺寸,采用ANSYS前处理对试验模型结构进行了精细化三维建模,这里定义模型的水平长轴方向为X向,水平短轴方向为Y向,竖直方向为Z向。有限元模型主要由LS-DYNA程序中的三种单元构成,分别有Shell163薄壳单元,Beam161梁单元和Combin165弹簧单元,其中Shell163薄壳单元模拟试验模型楼面、侧墙和底部台面板的钢板;Beam161梁单元模拟承重柱的槽钢和侧向支架;Combin165弹簧单元模拟鼓形钢丝绳隔震器。

整个有限元模型都采用映射方法进行网格划分,综合考虑计算机的计算能力和精度要求,结构总共被离散为12 506个单元和12 435个节点,其中12 378个薄壳单元、48个梁单元和60个弹簧单元,单元之间通过共节点实现连接,如图4所示。

图4 整体钢结构模型网格划分图

2.2 材料模型及参数

试件采用Q235钢质材料,试件在整个试验过程中处于弹性范围内,没有出现塑性变形,因此结构可采用各向同性线弹性模型(MAT_ELASTIC),泊松比为0.3,密度为7.83×103kg/m3,弹性模量为2.2×105MPa。考虑加载台面板和侧向支架在实际试验中变形很小,为了提高计算效率,计算中二者都选取刚体材料模型(MAT_RIGID)[10-11],这样可以极大地节省计算时间而并不影响整体结果。因为刚体内所有节点的自由度都耦合到刚体的质量中心上,刚体只有6个自由度。

鼓型钢丝绳隔震器则采用了LS-DYNA中的弹簧通用非线性材料模型(MAT_SPRING_GENERAL_NONLINEAR)[12],该模型能够定义弹簧加载和卸载的非线性刚度曲线,可以很好地实现试验中隔震器的刚度性能。鼓型钢丝绳隔震器刚度-位移曲线是在静力加载试验条件下测定的,结构模型所用隔震器径向和侧向的实测静态刚度曲线分别如图5、6所示。由图可以看出,两种不同类型隔震器的径向曲线具有非线性软刚度特性。由于LS-DYNA程序中的一个弹簧单元只能模拟一个方向的力,为实现对鼓型钢丝绳隔震器的准确模拟,通过建立3个弹簧单元(1个竖直向、2个水平向)来模拟一个隔震器,竖向弹簧单元加载径向刚度曲线,水平向弹簧单元加载侧向刚度曲线。这样,模型中的20个隔震器总共需要建立60个弹簧单元。

图5 8股70mm隔震器径向和侧向静态刚度曲线

图6 8股80mm隔震器径向和侧向静态刚度曲线

3 试验与计算结果分析

在所有试验数据中选取两组典型工况进行数值计算,分别是单一的竖直向和水平方向冲击加载工况,详细试验工况如表1所示。在荷载加载时对台面板输入了试验中在其中心位置测得的加速度时程曲线。由于试验只是一个方向的冲击加载,在对模拟和试验数据比较分析时只选取了在冲击方向上的结构响应。

表1 试验工况

3.1 加速度结果分析

竖直向冲击试验输入加速度波形峰值为107.81m/s2,脉宽为21.4ms,试验测得结构各位置输出加速度平均峰值为37.41m/s2,输出平均脉宽为58ms。水平向冲击试验输入加速度波形峰值为80.86m/s2,脉宽为26.98ms,试验测得结构各位置输出加速度平均峰值为41.26m/s2,输出平均脉宽为64ms。隔震率是评价由鼓型钢丝绳隔震器作为承重构件的整体隔震结构隔震性能的重要参数,其通过输入脉冲峰值与输出脉冲峰值之差再除以输入脉冲峰值得到。竖直向和水平向的试验平均隔震率分别为65%和50%,竖直向、水平向冲击试验的隔震结构输出脉宽大约为输入脉宽的2倍多,这说明钢丝绳隔震器对外界冲击输入起到了很好的“降幅增时”作用,即降低外界输入的加速度峰值而增加对应的加速度脉宽,其实质就是将一定的输入能量在时间轴上进行延展,以此降低单位时间内平均分配的能量值,这是大多数被动耗能隔震器的基本工作原理。

竖直向加载的试验与模拟的输入、输出加速度时程曲线对比见图7。水平向加载的试验与模拟的输入、输出加速度时程曲线对比见图8。竖直向、水平向加载的峰值、脉宽、隔震率的模拟值与试验值对比见表2。由图7、8以及表2可以看出,两个方向加载的加速度时程曲线的波形特征、波形峰值、脉宽试验值与模拟值吻合均较好,表明计算仿真能够很好地模拟整体隔震结构的动力响应过程。

表2 竖直向、水平向加载的加速度峰值、脉宽、隔震率的模拟值与试验值比较

图7 竖直向加载的试验与模拟的输入、输出加速度时程曲线对比

图8 水平向加载的试验与模拟的输入、输出加速度时程曲线对比

3.2 应变和位移结果分析

应变和位移也是分析结构动力响应的重要因素。图9为竖直向加载的模型X向应变云图,图10为水平向加载的模型Z向应变云图。从图9可以看到在竖向冲击荷载下,模型结构底层底板、2层楼板、2层顶板中心的应变相对比较大,而结构四周侧墙的应变则小些。从图10可看到水平冲击荷载下,模型结构各处的应变都没有超过10个微应变,而且各处之间相差不大。

图9 在20ms时刻竖直向加载的模型结构X向应变云图

图10 在62ms时刻水平向加载的模型结构Z向应变云图

图11为竖直向加载的结构顶板中心Z向位移时程曲线,图12为水平向加载的结构顶板中心X向位移时程曲线。由图11、12可得,模型结构加载方向的位移较大,并伴随其余方向的微小振动,其最大位移都在3cm左右。

图11 竖直向加载的结构顶板中心Z向位移时程曲线

图12 水平向加载的结构顶板中心X向位移时程曲线

4 结论

(1)由鼓型钢丝绳隔震器作为隔震耗能元件的整体隔震结构具有较好隔震性能,能够使结构内部各处达到统一的隔震效果。

(2)两种加载方向下,试验与模拟结果均吻合较好,说明有限元方法研究冲击荷载下整体隔震结构动力响应是正确和可行的。

(3)相比于水平向加载,竖直向加载的试验结果与模拟结果更为相近,原因是竖直向加载是由冲击锤撞击台面板中心,这样台面板获得的加速度比较均匀;而水平向加载则是由冲击锤撞击台面板的一侧,台面板获得的加速度相对不均匀。

(4)试验与模拟结果有误差的另外一个原因是:模拟时输入的钢丝绳隔震器刚度曲线是在静力加载下得到的,与实际试验中动态响应下的刚度性能还是有区别的,因此后期为了更好地提高数值模拟的准确性还需要开展冲击荷载下钢丝绳隔震器刚度性能研究。