西安市市政建设（集团）有限公司
摘要：钢筋混凝土柱在服役过程中，除遭受地震作用外，还可能遭受冲击荷载作用，例如建筑物遭受车辆撞击作用。本文采用LS-DYNA软件建立车-柱撞击有限元模型，对比验证所采用的材料模型和接触方式。研究表明：采用MAT_145#混凝土模型和MAT_3#能够较好反映冲击荷载作用下钢筋混凝土柱的动力响应和损伤分布，能够模拟出与试验结果比较吻合的剪切破坏状态，验证了数值模型的可靠性。
1. 绪论
钢筋混凝土柱服役过程中，除遭受地震作用外，还可能遭受冲击荷载作用，例如建筑物遭受车辆撞击作用[1，2]。钢筋混凝土柱的抗冲击性能研究是个十分复杂的动态过程，涉及到混凝土、钢材等材料非线性、接触非线性以及构件的大变形。然而，受限于现有动力试验技术的发展、实验室场地条件的限制以及高昂的试验费用，难以采用试验手段对型钢混凝土柱在冲击荷载作用下的动力特性进行精细化的分析。鉴于此，本文采用LS-DYNA有限元软件对车-柱撞击数值分析中所涉及的材料模型参数，接触碰撞参数和其他关键技术等进行验证与分析，建议一种分析此类问题的合理的有限元模型参数。
2. 材料模型
2.1 混凝土
本文采用SCHWER_MURRAY_CAP_MODEL（MAT_145#）[3]模型模拟混凝土材料。MAT_145#为连续盖帽模型，能够反映碰撞冲击过程中混凝土材料的动力特性，包括达到峰值强度前的应变强化、达到峰值强度后的应变软化以及应变率效应，适用于在冲击问题中模拟土体、混凝土和岩石等岩土材料。
混凝土为水泥、砂、石和水等组成的工程复合材料，其在受力之前内部就存在微裂缝和微孔洞，这些微孔洞在静水压力作用下开始破坏并被压实，这在宏观上表现为混凝土材料不可恢复的塑性体积变形。盖帽函数的引入使得使剪切失效面和静水轴之间形成了封闭屈服面，从而可以适当地描述静水压力引起的塑性体积变形。盖帽参数包含最大塑性体积应变参数W、盖帽与静水轴初始交点位置参数X0、体积变化率参数D1和D2、帽盖形状参数R五个。
前四个参数W、X0、D1、D2由如图1所示的静水压力和材料密度、体积应变曲线，即状态方程所取得。状态方程在弹性极限A点有，材料在AB段处于弹性状态，内部空隙不发生破坏；材料在BC段时，内部空隙逐渐发生破坏并被压实。当前体积应变可用体积变化前的密度和体积变化后的密度表示为。因此图2.1（a）中所给出的静水压力与密度关系，可以转换为2.1（b）中的静水压力和体积应变的关系。若在此基础上扣除弹性体积变形后，则可进一步表示成2.1（c）所示的静水压力和塑性体积应变的关系。此外，从图中C点开始，材料空隙已经被完全压实而成为颗粒材料。
3. 验证与分析
表2给出了钢筋混凝土柱水平冲击试验结果，以及分别采用数值模型计算结果。实际冲击过程中是撞击头和柱身的面面接触，由于试验技术和数值算法的限制，同时为了便于讨论，本文将冲击力简化为作用于撞击面中心的一集中作用力F，如图3a所示。试验中冲击力由安装于撞击头的动力传感器测得，数值模型中冲击力由LS-DYNA从冲击接触面直接提取得到。最大冲击力为冲击力时程曲线中的最大值。最大位移的取值为冲击力作用点处的位移，即距离柱底端400mm处、位于柱身冲击背面处的位移值。冲击耗能由冲击作用点处的冲击力-位移时程曲线积分得出。冲击时间定义为从水平冲击车与钢筋混土柱刚接触、冲击为零的初始时刻，到两者回弹分离、冲击力再次回落为零的时刻，之间所经历的时间。
表2 水平冲击试验结果和数值模型计算结果
图4为数值模拟和冲击试验的冲击力时程曲线对比结果。可以看出，有限元模型得到的冲击力峰值（756kN）略高于试验结果，误差为4.6%。从冲击力峰值来看，其误差均小于5%，处于合理误差范围内，且冲击时间（30ms）与试验结果基本一致。从冲击力时程曲线的整体走势来看，由有限元得到的冲击力时程曲线与试验结果基本吻合，特别是在冲击力峰值之后的衰减阶段也能吻合良好；以上分析表明，对于本次钢筋混凝土柱水平冲击试验而言，采用MAT_145#本构模型建立数值模型能够较好地反映冲击力时程。
（a）冲击力时程曲线对比 （b）位移时程曲线对比
图3 数值模拟和冲击试验的对比
图3b为数值模拟和冲击试验中钢筋混凝土柱冲击部位的位移时程曲线对比结果。可以看出，由有限元计算得到的最大位移是28.4mm，与试验得到的最大位移（32.9mm）分别相差13.7%。从位移曲线的整体走势来看，在位移曲线上升段和下降段有限元与试验结果基本吻合，只是在回弹运动段模拟计算结果明显大于试验结果。这主要是因为模拟中忽略了冲击过程中混凝土碎片飞溅消耗的的动能，以及冲击车的变形能和撞击过程中因摩擦力产生的热能，这部分在模拟中未考虑的能量转换为柱的变形能，因此数值模型中试件为消耗这部分能量而产生了更大的残余变形。针对本次试验而言，MAT_145#模型仍然能较好地反应钢筋混凝土柱在水平冲击作用下的动力响应。
4. 结论
本文对冲击荷载作用下钢筋混凝土柱的建模方法和关键技术进行了探索和研究。数值模型的建立基于LS-DYNA有限元软件，因此首先对LS-DYNA中混凝土和钢筋的本构模型进行了介绍，然后对冲击过程中所涉及到的本构模型和接进行讨论、分析。研究表明：基于本文开展的钢筋混凝土柱水平冲击试验和结合面面接触等关键字定义，采用MAT_145#混凝土模型和MAT_3#能够较好反映冲击荷载作用下钢筋混凝土柱的动力响应和损伤分布，能够模拟出与试验结果比较吻合的剪切破坏状态，验证了数值模型的可靠性。
参考文献：
[1]Buth CE，Williams WF，Brackin MS，et al. Analysis of large truck collision with bridge piers：phase 1.Report of guidelines for designing bridge piers and abutments for vehicles collisions. 2010，Technical Report. Texas Transportation Institute，Texas.
[2]京华时报. 汽车撞断桥墩京珠高速中断.http：//epaper.jinghua.cn/html/2009-04/18/content_412171.htm
[3]Schwer L E，Murray Y D . A three-invariant smooth cap model with mixed hardening[J]. International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics，1994，18（10）：657-688.
[4]LS-DYNA Keywords user’s manual，Version 971［M］. Livermore Software Technology Corporation，California：2013.
论文作者:祁立斌
论文发表刊物:《防护工程》2019年第6期
论文发表时间:2019/6/20
标签：模型论文; 冲击力论文; 钢筋混凝土论文; 数值论文; 位移论文; 混凝土论文; 体积论文; 《防护工程》2019年第6期论文;