冲击荷载作用下不同梁柱节点对钢框架动力响应影响分析

李昌彦，付晓东

(中国建筑科学研究院有限公司 混疑土设计部，北京 朝阳区 100013)

0 引言

近年来，钢结构建筑遭受冲击、爆炸等偶然荷载作用的事件频繁发生，如美国世贸大厦遭受飞机撞击。钢结构建筑由于自重较轻，构件塑性变形较大，因此在冲击荷载作用下，结构或构件的损伤势必高于混凝土结构。

而对于钢结构建筑而言，冲击作用下，梁柱节点的耗能特性及能量传递对钢框架整体稳定性有显著影响。因此，冲击作用下，开展不同梁柱节点的钢框架动态响应研究，准确把握钢结构梁柱节点在冲击作用下的动态响应机理，对钢结构建筑抗冲击设计具有现实指导意义。

钢框架结构在冲击荷载作用下的力学性能备受学者关注，对于钢框架结构的动力响应研究可集中在钢构件的抗冲击性能研究、节点的抗冲击性能研究以及结构整体动力响应等方面。在钢构件方面，崔娟玲团队通过冲击试验对H型钢柱的抗冲击性能进行研究[1,2,3,4]，结果表明H型钢柱具有良好的抗冲击性能，并分析了约束条件对H型钢柱在冲击作用下的动力响应的影响；霍静思对4根热轧H型钢梁进行了落锤撞击试验[5]，通过记录冲击力时程曲线和跨中变形，得出试件的挠曲变形为正弦半波曲线，并分析了钢梁在冲击作用下的悬链线效应。在钢结构节点的抗冲击性能研究方面，王海涛等人对狗骨式钢结构梁柱节点的抗冲击性能进行试验研究[6]，分析了狗骨式梁柱节点的耗能能力以及内力发展规律；宋玉华通过试验研究了狗骨式梁柱节点在低频冲击荷载下的抗冲击性能[7]。在钢框架结构整体在冲击作用下的动力响应研究方面，付朝江通过有限元模拟研究了钢框架的倒塌机理[8,9]，认为钢框架倒塌发展分为三个阶段：弹性阶段、塑性和悬链线阶段、悬锁机构阶段。钢框架最终由于梁转角过大和柱失效而倒塌；张秀华[10]等研究了钢框架在冲击荷载作用下的破坏模式，破坏模式主要是柱脚剪切破坏以及柱中翼缘屈曲破坏。然而，冲击荷载作用下，不同节点形式的钢框架动力响应规律尚缺乏研究。

为了获悉不同节点的钢框架的动力响应的差异以及抗冲击性能，本文选取工程中常见的三种梁柱节点形式的钢框架，开展冲击荷载作用下的钢框架动力响应规律研究，探究不同节点形式的钢框架的动力响应差异以及塑性变形能的分布规律。

1 数值模拟

1.1 模型介绍

基于有限元软件ABAQUS建立钢框架的数值模型，分析不同节点类型对钢框架的抗冲击性能的影响，所建立的模型分为钢柱、钢梁以及梁柱连接节点。模型中采用三维实体单元(C3D8R)。建立的数值模型如图1所示。

图1 数值模型

在冲击荷载作用下，由于钢材的应变率效应，钢材会出现强度提高的特性。目前考虑钢材应变率效应的两种主流模型为Cowper-Symonds模型(CS)和Johnson-Cook模型(JC)，CS模型适用于低应变率的动力学问题，JC模型更倾向于计算高应变率的动力学问题。本模型中钢材的应变率相对较低，故采用CS模型考虑钢材的应变率效应，即

(1)

1.2 材料参数及构件尺寸参数

本文模型的材料为钢材，钢柱和钢梁均为H型钢，具体的材料参数如表1所示，构件尺寸及节点示意图如图2所示。

表1 钢材的基本物理参数

(a)钢框架结构尺寸示意图

(b)焊接节点

(c)齐平式节点

(d)外伸式节点

2 结果分析

为探究不同节点形式的钢框架在冲击荷载下的动力响应，本文采用质量为60kg的撞击锤头，以18m/s的速度侧向撞击H型钢柱柱中位置，撞击面为H型钢柱强轴面。分析撞击过程中接触面的冲击力，撞击点的位移变化以及钢框架的能耗分布情况。

2.1 冲击力

如图3所示,为不同节点的钢框架撞击面的冲击力时间变化曲线，冲击荷载作用时，撞击面的冲击力经历了大致三个阶段，第一个阶段为峰值阶段，此时接触面冲击压力迅速上升，达到最大值，然后进入第二个阶段-衰减阶段，此过程冲击力迅速降低，冲击压力衰减到最小值时，锤头与钢柱撞击点的速度差也达到最小，随后撞击点速度减小，锤头与钢柱接触压力再次增大，进入第三个阶段-稳定阶段，此过程冲击压力基本处于平稳阶段。

从图3可知，不同节点形式的钢框架的冲击力响应情况不同，焊接节点的钢框架冲击力峰值最小，外伸式螺栓节点的钢框架的冲击力峰值最大。由此可知，焊接节点的钢框架可以有效降低冲击力对受撞构件的影响。

(a)焊接节点

(b)齐平式螺栓节点

(c)外伸式螺栓节点

2.2 撞击点位移

如图4所示,为不同节点的钢框架撞击点位移时间曲线，由图可知，焊接节点的钢框架撞击点位移峰值最小，而采用外伸式螺栓节点的钢框架撞击点位移峰值最大。由此可初步得出结论，焊接节点的钢框架可以有效降低受冲击构件的变形。

(a)焊接节点

(b)齐平式螺栓节点

(c)外伸式螺栓节点

2.3 钢框架塑性变形能分布

为探究不同节点形式的钢框架在冲击荷载作用下的塑性变形能的分布情况，分别提取了不同节点的钢框架的钢柱、钢梁以及整个钢框架的塑性变形能变化数据，如图5所示。由图可知，三种节点形式的钢框架系统总塑性变形能基本一致，但钢框架各部分的塑性耗能有显著差异。由图5可知，三种节点形式的钢框架中，三种节点所连接的钢梁塑性变形能均较低。塑性耗能主要由钢柱塑性变形以及节点变形来承担。由此表明，钢框架在冲击过程中，冲击能量主要由节点区域变形以及受撞击构件变形承担，冲击荷载作用于钢框架上，只对钢框架局部区域有影响，而非整个结构。

节点区域变形耗能占据一定比重，并且不同类型的节点，其塑性变形耗能能力不同。不同节点对钢柱的塑性耗能影响显著。焊接节点的钢框架柱塑性变形能最低，外伸式螺栓节点的钢框架柱塑性变形能最高。由此可知，冲击作用下，焊接节点吸收较大部分的塑性能，节点破坏相比螺栓节点来说更严重，而螺栓节点的耗能能力较弱，冲击能大部分被钢柱吸收。究其原因主要为：焊接节点刚度较大，当冲击荷载作用于钢柱时，钢柱发生变形，在柱脚和节点区域发生转动，焊接节点区域转动较大，耗能较多，承担了较大能量。在钢结构设计中，螺栓节点常常被简化为铰接点，节点不传递弯矩，在冲击荷载作用时，螺栓节点转动耗能能力较弱，且弯矩传递给梁的部分也十分有限，因而冲击能量主要由钢柱自身变形承担，螺栓节点产生的变形耗能十分有限。

(a)焊接节点

(b)齐平式螺栓节点

(c)外伸式螺栓节点

3 结语

第一，建立了不同节点形式的钢框架数值模型，冲击作用下，采用CS本构模型能够较好地反应结构的动态响应过程。

第二，节点形式对钢框架在冲击作用下的动态响应有显著影响，焊接节点能够吸收较多的塑性变形能，因而节点的变形损害更为严重，而螺栓节点的耗能能力较弱，能量大部分由受撞击的钢柱承担。因此建议设计中考虑采用外伸式螺栓节点，避免节点破坏，起到“强节点弱杆件”的作用。

第三，钢框架结构中，冲击力的作用范围较低，只影响受撞击构件以及相邻的梁柱节点，对节点连接的相邻构件的影响较低。