冲击荷载下凯威特型球面网壳的失效模式及其判别方法_范峰

第43卷第5期2010年5月土　木　工　程　学　报C H I N A C I V I LE N G I N E E R I N G J O U R N A LV o l .43M a y . N o .52010基金项目:国家自然科学基金重大研究计划重点项目资助(90715034)作者简介:范峰,博士,教授收稿日期:2008-11-26冲击荷载下凯威特型球面网壳的失效模式及其判别方法范　峰　王多智　支旭东　沈世钊(哈尔滨工业大学,哈尔滨150090)摘要:应用A N S Y S /L S -D Y N A 建立60m 跨度凯威特型球面网壳(扇形三向网格单层球面网壳)与圆柱形冲击物的数值模型并展开分析。

依据网壳的动力响应,提出顶点竖向冲击荷载下网壳结构的四种失效模式,但动力响应及失效模式与冲击初始条件间缺乏规律性。

对冲击的特点及网壳动力特性的分析则发现:以顶点响应速度(一次冲击结束时刻网壳顶点的速度)为自变量时,网壳最终动力响应呈现很好的规律性,并且可以依据顶点响应速度对网壳的失效模式进行判别。

最后鉴于网壳受冲击荷载的数值模型建立困难且计算繁琐,提出获取顶点响应速度的理论计算方法,且理论结果可以替代数值结果进行失效模式的判别。

达到了由冲击初始条件经简化的理论计算判别网壳失效模式的目标。

其中理论方法的核心是网壳冲击区范围的确定与冲击区折算质量的推导。

关键词:球面网壳;冲击;冲击区;折算质量;顶点响应速度;失效模式;判别方法中图分类号:T B 115 文献标识码:A 文章编号:1000-131X (2010)05-0056-07F a i l u r e m o d e s a n d d i s c r i m i n a t i o nm e t h o df o r K i e w i t t r e t i c u l a t e dd o me u n d e r i m p a c t l o a d sF a n F e n g W a n g D u o z h i Z h i X u d o n g S h e n S h i z h a o (H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ,H a r b i n 150090,C h i n a )A b s t r a c t :F Em o d e l s o f b o t h t h e K i e w i t t r e t i c u l a t e d d o m e (s i n g l e -l a y e r r e t i c u l a t e d d o m e w i t h t h r e e -d i m e n s i o n a l g r i d ss e c t o r )w i t ho f t h es p a no f 60m a n dac y l i n d r i c a l i m p a c t o r w e r e d e v e l o p e d ,i n c o r p o r a t i n g A N S Y S /L S -D Y N A .F o u r f a i l u r e m o d e s w e r e p r o p o s e d a c c o r d i n g t o t h e d y n a m i c r e s p o n s e o f i m p a c t o nt h e a p e xo f t h eK i e w i t t r e t i c u l a t e dd o m e b a s e d o n n u m e r i c a l a n a l y s i s .I t w a s f o u n d t h a t t h e c o r r e l a t i o n s b e t w e e n t h e i n i t i a l i m p a c t c o n d i t i o n s a n d t h e f a i l u r e m o d e s w e r e i n s i g n i f i c a n t .H o w e v e r ,t h e r e w a s c l o s e c o r r e l a t i o nb e t w e e n t h e r e s p o n s e v e l o c i t y o f t h e i m p a c t e d j o i n t ,i .e .t h e v e l o c i t y o f t h e i m p a c t e dj o i n t j u s t a f t e r t h ef i r s t i m p a c t ,a n dt h ed y n a m i c r e s p o n s e s o f t h e d o m ew a s r e v e a l e d .T h e r e s p o n s e v e l o c i t y w a s u s e dt o j u d g e t h ef a i l u r e m o d e s .T h e o r e t i c a l s o l u t i o no f t h er e s p o n s ev e l o c i t y w a s a c h i e v e db y m e a n s o f t h e d e f i n e d i m p a c t z o n e a n d t h e e q u i v a l e n t m a s s o f t h e z o n e .T h e r e s p o n s e v e l o c i t y a n d t h e j u d g m e n t o f t h e f a i l u r e m o d e so f t h ed o m ec a nb eo b t a i n e db yu s i n gt h es i m p l i f i e dt h e o r e t i c a l a p p r o a c h ,w i t h o u t s o p h i s t i c a t e dF E m o d e l l i n g .K e y w o r d s :r e t i c u l a t e d d o m e s ;i m p a c t ;i m p a c tz o n e ;r e d u c e d m a s s ;r e s p o n s e v e l o c i t yo f a p e x ;f a i l u r e m o d e ;d i s c r i m i n a t i o n m e t h o d E -m a i l :f a n f @h i t .e d u .c n .引 言大跨空间结构建筑如奥运场馆、飞机库等多数为人员密集的重要场所;此类建筑如若遭遇破坏,引起的损失将十分严重。

而冲击荷载虽然是偶然荷载,近年来引起建筑物破坏的事件却不断增加。

但目前建筑结构承受冲击荷载方面的研究十分稀少,仅限于框架结构[1-8]、高层钢结构[9]、钢混结构[10]等方面的初步研究。

国外尚无大跨空间结构领域的专门研究,国内现有的研究也很少,文献[11-13]分别采用冲击试验与数值分析的方法对40m 跨度凯威特型球面网壳(扇形三向网格球面网壳)在低速冲击荷载下的动力性能进行深入研究;研究范围为小质量低速冲击,因此网壳尚未出现穿透破坏的情况。

文　第43卷　第5期范　峰等·冲击荷载下凯威特型球面网壳的失效模式及其判别方法·57　·献[14]对凯威特型单层球面网壳冲击荷载下的动力特性展开研究,其所研究的冲击物的质量与速度涵盖范围较大,因此研究内容中包括网壳穿透破坏的情况。

文献[15]依据冲击荷载下网壳结构的动力响应提出了四类失效模式,但未能总结动力响应规律,且失效模式仅按照破坏表象进行划分。

在此基础上,文献[16,17]分别从能量与构件破坏的微观响应出发,对网壳结构在冲击荷载下的失效机理进行了分析。

但目前可检索到的文献中依据破坏本质的网壳失效模式及失效判别领域尚缺少研究。

本文首先在A N S Y S/L S-D Y N A中建立了凯威特型球面网壳与圆柱形冲击物的数值模型并展开参数分析。

依据冲击荷载作用下网壳结构的动力响应(竖向变形、塑性发展分布),将失效模式分为四类。

随后发现动力响应与冲击力结束时的顶点响应速度之间有很好的规律性,并用其来进行失效模式的判别。

在此基础上,提出了计算冲击力结束时顶点响应速度的理论方法,且理论结果与数值结果误差很小,达到了回避复杂的数值建模和计算而判别失效模式的目的。

1　冲击荷载下球面网壳的失效模式1.1　分析模型的建立本文所研究的凯威特型球面网壳是单层球面网壳的重要形式之一,网壳由8根径杆将球面分为8个对称的扇形曲面,每个扇形曲面内,由环杆和斜杆分割成大小较匀称的三角形网格[18]。

网壳各项参数选取如表1所示,支承条件为最外环节点采用固定铰支座。

表1　凯威特型球面网壳参数T a b l e1　P a r a me t e r s o f t h e K i e w i t t r e t i c u l a t e dd o m e 主杆和纬杆斜杆跨度矢跨比屋面荷载152×5.5m m146×5m m60m1/5900N/m2 本文研究应用计算冲击荷载的通用有限元软件A N S Y S/L S-D Y N A,进行数值模拟时,网壳单元采用三节点梁单元B e a m161,屋面荷载通过质量单元M a s s166施加,冲击物采用八节点六面体实体单元S o l i d164,材料模型采用刚性体模型R i g i dB o d y,接触类型采用简单实用的点面接触(N O D E S T O S U R F A C E);接触算法采用对称罚函数法[15,19]。

国外已有的相关领域的研究成果显示,应变率对结构承受动力冲击荷载的能力有重要影响[20,21],所以钢材的材料模型采用专门适用于钢材的考虑应变率影响的分段线性塑性模型(P i e c e w i s e L i n e a r)[15,19],该模型记入应变率效应,可以提高钢材的屈服应力。