汽车撞击下钢筋混凝土框架的动态响应与破坏模式研究.pdf
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1、第 3 3卷 第 2期 2 0 1 6年 3月 建筑科 学与 J o u r n a l O f Ar c h i t e c t u r e 工程 学报 a n d Ci v i l En g i n e e r i n g Vo 1 3 3 M a r NO 2 2 O1 6 文章编号 : 1 6 7 3 2 0 4 9 ( 2 0 1 6 ) 0 2 0 0 4 1 - 0 7 汽车撞击下钢筋混凝土框架的动态响应与 破坏模式研究 田 力 。 , 胡 国辉 ( 1 天津 大学 建筑工程学 院, 天津3 0 0 0 7 2 ; 2 天津大学 滨海土木工程结构与安全 教育 部重点实验室 , 天
2、津 3 0 0 0 7 2 ) 摘要 : 为 了研 究汽车撞 击 下钢 筋混凝 土整 体框 架 结构 的动 态响 应 、 损 伤机 理 及破 坏模 式 , 运 用 显 式 动 力分析软 件 ANS YS L S _ DYNA 建立 6层钢 筋混 凝 土框 架结 构模 型 , 并 对不 同车 速撞 击下 汽 车 与钢筋混凝土框架角柱和边中柱的破坏过程进行仿真模拟。结果表 明: 汽车撞击 角柱和边 中柱的 损伤破 坏过 程相 同; 最大碰撞 力与撞 击速度 呈 线性 关 系 ; 中国规 范对 汽车等 效碰 撞 力的取 值偏 于不 安全 ; 在 汽 车的撞 击作 用 下 , 被撞 柱柱 底发 生 弯
3、剪破 坏 , 柱顶发 生 剪切破 坏 , 结构 的动 态反 应具 有局 部 性 , 只与被 撞柱 及周 围相 邻的 构件 有关 。 关 键词 : 汽 车撞 击 ; 钢 筋混凝 土框 架 ; 损 伤机 理 ; 破 坏模 式 ; 线性 关 系 中图分 类号 : T U3 7 5 4 文 献标 志码 : A S t u d y o n Dy na mi c Re s p o n s e a n d Fa i l u r e M o d e s o f Re i nf o r c e d Co n c r e t e Fr a m e Und e r Ve h i c l e I m p a c t
4、TI AN Li 。H U GUO h ui ( 1 S c h o o l o f Ci v i l En g i n e e r i n g,Ti a n j i n Un i v e r s i t y ,Ti a n j i n 3 0 0 0 7 2 ,Ch i n a ;2 Ke y La b o r a t o r y o f Co a s t Ci v i l S t r u c t u r e S a f e t y o f Mi n i s t r y o f Ed u c a t i o n,Ti a n j i n Un i v e r s i t y, Ti a n
5、j i n 3 0 0 0 7 2,Ch i n a ) Ab s t r a c t :I n or d e r t o s t ud y t he d yn a mi c r e s p on s e, d a ma ge m e c ha ni s m a nd f a i l ur e m o de of r e i n f o r c e d c o n c r e t e( RC)f r a me ,e x p l i c i t d y n a mi c a n a l y s i s s o f t wa r e ANS YS L S DYNA wa s u s e d t o
6、 bu i l d a mo de l s t r uc t ur e of s i x s t o r y r e i n f o r c e d c on c r e t e f r a me,t he n t h e da m a g e pr o c e s s e s o f c o r ne r c o l umn a n d s i d e c ol u m n o f t he r e i n f o r c e d c o nc r e t e f r a me un de r v e h i c l e i m pa c t wi t h d i f f e r e nt
7、s p e e ds we r e s i mul a t e d The r e s ul t s s ho w t ha t t h e f a i l ur e p r o c e s s of c or n e r c ol u m n i s s a me wi t h t h e f a i l u r e pr o c e s s o f s i de c ol u m n un de r v e hi c l e i mpa c t The r e l a t i o ns hi p o f ma xi mum i m p a c t f o r c e a n d i m p
8、 a c t ve l oc i t y i s l i n e a r Eq ui v a l e n t v a l ue o f t h e c a r c ol l i s i o n f o r c e i n Chi n e s e s p e c i f i c a t i on i s uns a f e U n de r ve hi c l e i mpa c t , t h e be nd i ng s he a r f a i l ur e o c c ur s a t t h e bo t t om o f t h e c o l umn,a nd t h e s he
9、 a r f a i l u r e o c c ur s a t t h e t o p o f t he c o l u m n;t h e d y na mi c r e s po ns e of t h e s t r u c t u r e ha s l i m i t a t i o ns , a n d i t i s onl y r e l a t e d wi t h t h e c ol l i s i o n c o l umn a nd t he s ur r o und i n g a d j a c e n t me mb e r s Ke y wo r d s :
10、v e h i c l e i mp a c t ;r e i n f o r c e d c o n c r e t e f r a me ;d a ma g e me c h a n i s m;f a i l u r e mo d e ;l i n e a r r e l a t i on s h i p 收稿 日期 : 2 0 1 5 - 1 0 2 1 基金项 目: 国家 自然科学基金项 目( 5 0 6 7 8 1 1 6 , 5 1 1 7 8 3 1 0 ) 作者简介 : 田力( 1 9 7 0 一 ) , 男 , 天津市人, 副教授 , 工学博士 , E ma i l : l
11、 t i a n t j u e d u c n 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 4 建筑科 学与工程学报 2 0 1 6生 顶水平位移来看 , 碰撞发生时 , 试验和有限元分析结 果一样 , 柱顶水平位移很快达到最大值 , 试验所得为 3 3 mm, 模拟所得为 3 0 F fi l T I ; 试验 时, 位移传感器损 坏未能记录下降段的位移 曲线 ( 图 5中的水平段) , 但是有限元分 析得 出的下 降段位 移与实 际情
12、 况吻 合 。从碰撞力来看 , 试验时通过高速视频 获得加速 度 , 根 据 牛顿第 二 定律 算得 最 大碰 撞 力 为 1 1 7 0 k N, 有 限元 分析 计算 的最 大碰 撞 力为 1 3 0 0 k N。由 于试验分析计算时忽略了阻尼 、 摩擦等很多 因素 , 所 以碰撞力偏小。以上分析可以说明本文中采用有限 元分析汽车撞击建筑物的仿真模拟是可靠的。 2 钢筋混凝土框架在汽车不 同速度撞 击下的动态响应分析 汽车分别在 2 O , 5 0 , 8 0 k m h 的速度下撞击 钢 筋混 凝土 框架 结构 的 角柱 和边 中柱 。在 进行 数值 处 理 时 , 为 了消 除高 频
13、的数值 噪声 , 对 分析 结果 采用 算术平均值数字滤波法处理 , L S P R E P OS T 中的滤 波 参数 P o i n t Av e r a g e取为 2 l 2 。 2 1 碰撞 力 汽车与钢筋混凝土框架结构在碰撞过程中的相 互作用非常复杂, 本文通过数值模拟得 到了各种工 况 下相 应 的碰 撞 力 时 程 曲 线 ( 图 7 ) 和 最 大 碰 撞 力 ( 表 2 ) , 并 绘制 出 了最 大 碰撞 力 F 与速 度 的关 系 曲线 ( 图 8 ) 。 从 图 7和表 2可 以看 出 , 在相 同速 度下 , 汽 车撞 击 角柱 和边 中柱 的碰 撞力 时程 曲线
14、以及 最 大碰撞 力 是完 全 相 同的 , 达到 最大 碰撞 力 的时 间也完 全一 致 , 即汽车撞 击 角 柱 和边 中柱 的相互 作 用 过 程是 相 同的 。 由图 8拟 合 得 到 碰 撞 角 柱 的最 大 碰撞 力 F 与 速度 72的关 系 曲线方 程 为 F一 1 4 03 3 + 35 6 67 R 一 0 9 99 8 同理 , 拟 合 得 到碰 撞 边 中柱 的最 大 碰 撞力 与 速 度 的关 系 曲线方 程为 F= = = l 4 4 6 7 v+ 35 5 33 R。 一 0。 9 97 8 R。 非常接近 1 , 说 明最大碰撞力 和汽车速度 的 变化呈线性关
15、系, 且其线性相关性很强 。 公路桥涵设计通用规范 2 中第 4 4 3条规 定 : 汽 车撞 击 力标 准值 在 车辆 行驶 方 向取 1 0 0 0 k N。 关于正面碰撞乘员保护的设计规则 中规定 : 在碰 撞 瞬 问 , 车 辆 速 度 应 为 5 0 k m h 。很 明 显 , 当汽车速度达 到 5 0 k m h 时 , 碰撞力 已经超过 1 0 0 0 k N, 说 明 中国规 范 中给 出 的汽 车碰 撞 力偏 于 图 7 汽车 以不 同速度撞击钢筋 混凝土框架的碰撞力 时程 曲线 Fi g 7 I mpa c t Fo r c e Ti me Hi s t or y Cu
16、r v e s of RC Fr a me Un de r Ve hi c l e I mpa c t wi t h Di f f e r e nt S pe e ds 表 2 不同速度下的最大碰撞力 Ta b 2 M a x i mu m I mp a c t Fo r c e s Und e r Di f f e r e nt Sp e e ds 速度 ( k m h ) 2 0 5 O 8 0 时间 s 0 1 7 5 0 0 8 0 0 0 5 5 最 大碰撞 角柱 6 4 1 1 0 5 1 1 4 8 3 力 k N 边中柱 6 4 3 1 1 1 2 1 5 1 1 Z R -K
17、 图 8 最大碰撞 力与速 度的关系 曲线 Fi g 8 Re l at i o n Cur v e s o f M a xi mu m I mpa c t Fo r c e a n d S pe e d 不安 全 。 2 2位 移分 析 取 A, B, C, D四个节点作为研究对 象, A点 和 B点位于被撞角柱上 , C点和 D点位于被撞边 中柱 上; A点和 c点位于被撞面 的背 面, 距离地面 的高 度为 1 2 0 0 r l l I T I , B点和 D点位于被撞 面的正面, 距 离地面的高度为 4 2 0 0 ml T l 。本文将 A点和 C点作 为研究被撞部位的节点代表 ,
18、 给出了两点 的水平位 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2期 田 力, 等: 汽车撞击下钢筋混凝土框架的动态响应与破坏模式研究 4 5 移时程曲线, 如图 9所示; 将 B点和 D点作 为整体 结构竖 向倒塌的节点代表 , 给出了两点的竖向位移 时程 曲线 , 如 图 1 O所示 。 图 9 汽车以不同速度撞击钢筋混凝土框架的 水平位移时程曲线 Fi g 9 Ho r i z on t a l Di s pl ac e me nt Ti me Hi s t o r y Cur v e s o f RC Fr a me Und e r Ve h i c l e
19、 I mp ac t wi t h Di f f e r e nt Sp e e d 图 1 0 汽车以不同速度撞 击钢筋 混凝 土框 架的 竖向位移时程 曲线 Fi g 1 0 Ve r t i c a l Di s p l a c e me n t Ti me Hi s t o r y Cu r v e s o f RC Fr a me Un de r Ve h i c l e I mp a c t wi t h Di f f e r e n t S pe e ds 由图 9 , 1 0可知 , 当汽车速度为 2 0 k m h 时 , 被撞柱 的水平位移及竖 向位移基本为 0 , 由第
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- 关 键 词:
- 汽车 撞击 钢筋混凝土 框架 动态 响应 破坏 模式 研究
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