冲击荷载下吊脚楼建筑结构模型研究.docx

文章编号:1001-7445(2014)04-0709-07冲击荷载下吊脚楼建筑结构模型研究薛建阳，戚亮杰，罗峥，卢俊凡，王迪涛，李海博(西安建筑科技大学 土木工程学院，陕西 西安 710055)摘要:为研究吊脚楼结构在水平冲击荷载作用下的结构动力反应，制作一个 4 层竹皮框架模型，在进行模型加载时，考虑结构在竖向静荷载和水平冲击作用下的加速度响应。采用有限元软件 ABAQUS 对结构模型进行 模拟，通过计算结果对结构进行优化，验证此种吊脚楼结构在冲击荷载下的坚固性。结果表明:在静力作用 下，结构平动位移从上到下依次减小并趋于均匀，在碰撞过程中结构下部应力增大，应力变化区域主要集中在 底层和二层的柱子及斜撑上，结构整体不会发生坍塌现象。 关键词:吊脚楼结构;冲击荷载;有限元分析;加速度中图分类号:TU366; TU312文献标识码:AModel study on impact load of Diaojiaolou structureXUE Jian-yang，QI Liang-jie，LUO Zheng，LU Jun-fan，WANG Di-tao，LI Hai-bo(College of Civil Engineering，Xian University of Architecture and Technology，Xian 710055，China)Abstract: A four-layer framework model of bamboo skins was made to study the horizontal dynamicresponse of Diaojiaolou structures under impact load The acceleration responses of the structure un- der vertical static load as well as horizontal impact was considered The model was simulated using the finite element software ABAQUS，and the structure was optimized according to the calculated re- sults The sturdiness of the Diaojiaolou structure was verified under the impact load The results show that under the static loadings，the translational displacement is reduced from top to bottom in turn and tends to be more uniform，the stress at the bottom of the structure is increased in the process of collision，and the stress area are mainly concentrated on the column and brace of ground floor and second floor The overall collapse of structure will not occurKey words: Diaojiaolou structure; impact load; finite element analysis; acceleration泥石流是西部山区一种突发性自然灾害，具有发生突然、历时短暂、来势凶猛、大冲大淤、破坏力极强的特点1。由于我国西部山区地形地貌特征的影响，出现泥石流、滑坡等地质灾害的频率很高。吊 脚楼结构作为抵御泥石流的一道防线，对保证人们的生命财产安全起到了重大的作用，因此，准确地了 解在泥石流冲击力作用下吊脚楼结构的破坏形态，如何提高吊脚楼建筑抵抗这些地质灾害的能力，是工 程师们应该想方设法去解决的问题。但在实地测量吊脚楼结构在受到泥石流冲击时所受动荷载及加速度响应的难度较大，因此制作一个4 层的吊脚楼框架结构模型模拟实际吊脚楼结构，用以抵抗一个 3 kg 质量球的冲击，其中质量球模拟泥石 流与山体滑坡。模型具有 4 个楼面(含顶层屋面)，模型采用不同厚度的本色侧压双层复压竹皮制作。将结构模型固定于 330 mm 330 mm 的正方形底板上，模型底部使用 502 胶水与底板连接，模拟吊脚楼结构收稿日期:2014-01-21;修订日期:2014-05-21基金项目:国家级大学生创新创业训练计划项目(201210703010)通讯作者:薛建阳(1970-)，男，河南洛阳人，西安建筑科技大学教授，博士; E-mail:jianyang_xue 163com。710广西大学学报:自然科学版第 39 卷与山体斜坡的连接，使用连接螺栓将模型底板固定在钢底座上。采用在吊脚楼模型上施加竖向静 载和水平冲击荷载的方式测试模型的刚度和加速 度反应2。模型顶层和二、三层分别施加 50 kg 和2. 5 kg的竖向静荷载，水平冲击荷载由钢球从加载装置 ( 图 1 ) 的滑道上滚下实 现，球 在 40 cm 和80 cm的高度滚下时，模型中任一结构受力构件均 不能出现破坏，当钢球从 120 cm 滑落时，模型不 发生整体倾覆即可，以满足我国抗震设防的“小震 不坏，中震可修，大震不倒”的水准3。并以模型底层楼面测出的加速度和模型质量等因素综合评估模型优劣，充分考核了模型在正常使用条件下 的刚度水平和极限承载力条件下的结构合理性。图 1 撞击装置(单位:mm)Fig. 1 The impact device(Unit: mm)设计方案构思结构选型本模型采用带支撑的框架结构体系，该体系制作工艺简单、传力明确高效，具有较强的抗侧能力和11. 1承重性能，是一种良好的抗冲击结构体系。体系中的支撑、梁、柱等结构构件功能明确，结构分析简单，便于定量计算，可以通过合理的结构布置和构件截面优化以进一步提高其抗冲击性能4-5。从三方面因 素考虑，最终建立模型，模型截面尺寸如图 2 所示。静力荷载1. 1. 1结构承受的主要静力荷载为顶层铅板的重力荷载，最大达到 490 N。针对静力荷载需要设计相应的竖向承重构件，在次梁与主梁交接处有斜向支撑8 根 5 mm 5 mm 的矩形支撑，并且经反复试验 总结，此处采用了双层截面次梁，在 0. 35 mm 的竹皮外侧粘贴一层厚 0. 2 mm 的竹皮，增加其刚度，减小了其横向荷载下的挠曲变形。1. 1. 2动力荷载结构承受的主要动力荷载为一层平面高度所产生的水平方向冲击荷载，针对动力荷载，需要设计相应的水平抗侧力构件。经计算发现，冲击力主要由冲击点发散出的两个斜撑和一层平面梁承担，按照计 算所得力的大小，采用“力大面大”的原则，笔者在一层梁和吊脚层斜撑的两对角镶入大小合适的竹片， 这样底层梁的截面相当于有五条边，不但能保证梁的承压能力和抗弯能力，更增加了底层梁的韧性。为 保证底层梁的稳定性，在 0. 35 mm 的竹皮外侧粘贴一层厚 0. 2 mm 的竹皮，增加了梁的刚度，这样模型 处于双层防护之下，在相当大加速度球的撞击时，减小了模型倒塌的几率。1. 1. 3 整体稳定性 结构模型除了需要具有满足静力荷载和动力荷载的强度及刚度要求外，还必须满足稳定性要求，防止构件失稳和结构整体扭转而导致结构失效。为此，需要在与冲击方向平行的面上增加斜撑来增加整 体刚度，由于受力不大，采用较小的 4 mm 4 mm 截面即可满足要求。1. 2 结构特点1. 2. 1 合理选型由于此次撞击为单侧撞击，如果模型上下大小一样，在存在手工误差的前提下，可能会出现整体倾 覆的情况，故本次试验借鉴挡土墙结构，模型正立面采用上小下大的造型，整体成棱台状，使模型的整体 重心下移，减小因手工误差导致整体倾覆的可能性。1. 2. 2 采用变截面柱为更合理地利用材料，柱子采用上小下大的矩形截面，使模型整体重心降低，更加稳固。由于此次 研究单侧冲击荷载，与冲击荷载平行方向的柱间距较大，而与冲击荷载垂直方向的柱间距较小，这样沿撞击方向的惯性矩较大，且使得两榀抗侧力构件间距减小，共同工作能力加强，整体结构更加稳固。薛建阳等:冲击荷载下吊脚楼建筑结构模型研究711第 4 期图 2 模型截面尺寸Fig. 2 Section size of model底层箱型梁内部加强处理1. 2. 3由于底层梁在冲击荷载作用下容易折断，在梁的对角面镶入大小合适的竹片，这样底层梁的截面有五条边，不但保证了梁的承压能力和抗弯能力，同时可以增加底层梁的局部稳定性。为保证底层梁稳 定，在 0. 35 mm 的竹皮外侧粘贴一层 0. 2 mm 的竹皮，以增加梁的刚度，这样模型处于双层防护之下，在 球具有相当大的加速度撞击时，减小了模型倒塌的几率。牛腿结构的使用1. 2. 4经过试验发现，在三级荷载的冲击下，底层撞击板很容易掉落，故采用牛腿结构挂住后撞击板，减小了撞击板在冲击一瞬间掉落的可能性。1. 2. 5 合理使用节点板 传力方式简洁明确，避免了复杂节点处理，杜绝薄弱环节的存在。设计应用钢结构节点连接设计方法，采用节点板连接节点，连接传力可靠，既增加了节点自身的连接强度，又提高了模型的整体刚度，能 有效传递和分配结构上部传来的荷载，并且能较好地限制结构位移，增强结构的空间整体性。在节点板处进行放样还可以提高构件的安装精度。结构的分析验算22. 1 计算假定采用通用有限元软件 ABAQUS 对结构进行全过程模拟分析。主要涉及重力荷载和撞击两个工况， 重力作用下结构的反应属于静态的力学分析，而撞击属于高度瞬态过程，两个工况同时分析较不合理。因此，重力工况在 ABAQUS / standard 模块中使用隐式算法进行分析，撞击工况在 ABAQUS / explicit 模块中使用显示算法进行分析。中间使用了 ABAQUS 中的* import 数据传递功能，将重力作用下的结构反712广西大学学报:自然科学版第 39 卷应作为撞击过程中的初始状态6-7，在此基础上进行撞击分析。综合考虑计算代价和计算精确性，实际模型中构件均为薄壁杆件，使用薄壳单元对其进行模拟，撞击装置和荷载砝码使用实体单元进行模拟。木材均按照弹性材料进行定义，木材力学性能及荷载砝码钢材属性见表 1。表 1 材料属性Tab. 1 Material property材料密度 / (kgm 3 )弹性模量 / MPa泊松比抗拉强度 / MPa1 104 (顺纹)2. 06 10560(顺纹)木材钢材80078500. 30. 2为了能对模型进行简化以进行有限元分析，结合模型的特点，作出以下假定: 由于 502 胶水与木材粘结后对木材的强度和刚度均有增强，为保守估计结构的承载能力将胶水 的增强作用忽略不计。 节点处采用节点板将构件连接起来，节点处刚度较大，近似将各构件的连接按照刚接进行考虑，在有限元模型中把各构件相交处的节点进行耦合处理。 小球下落与撞击过程中，为考虑撞击作用对结构的最不利影响，不考虑小球滑道和空气阻力，以 及撞击过程中撞击板和弹簧对能量的耗散。 荷载砝码与结构使用热熔胶进行连接，在计算中不考虑热熔胶的实效，将砝码与结构接触部分进行完全连接。2. 2 静力分析在结构顶层施加 50 kg 重力荷载，二层和三层都分别施加 2. 5 kg 荷载，对结构在重力荷载作用下的 应力进行分析，由于结构使用壳单元，主要输出了结构的平面最大主应力云图(见图 3)。结构整体应力分布均匀，大致在 8 MPa( 以拉为正，压为负) 左右，而在结构顶部四根次梁与荷载砝码接触处存在应力集中问题，但区域很小，且在制作中进行了特殊加强处理，不会存在安全隐患。结 构的位移以云图方式输出，输出了 X、Y、Z 三个方向的位移最大值(见图 4 )。因为结构扭转对结构会造 成较为不利的影响，所以对绕 X、Y、Z 三个轴的转动位移值也进行了输出(见图 5)。图 3 重力荷载作用下最大主应力Fig. 3 The maximum principal stress under gravity loads图 4Fig. 4重力荷载作用下平动位移Translational displacement under gravity loads图 5 重力荷载作用下转动位移Fig. 5 otational displacement under gravity loads薛建阳等:冲击荷载下吊脚楼建筑结构模型研究713第 4 期结构平动位移从上到下依次减小并趋于均匀，主要原因是结构刚度从上到下依次增大，这样使得结构稳定性更好。最大位移为顶部加载处，最大值为 2. 31 mm，下部位移小于 1 mm，结构反应较为合理且 与真实模型吻合。转动位移主要分布在顶层，位移较小，大致在 0. 04 mm 以下，对结构的影响很小，可 不予以考虑。2. 3 动力分析撞击过程结构反应较为复杂，通过观察发现，结构在撞击过程中反应最为强烈，在此仅对小球与结 构撞击接触中状态进行分析。小球结构三级荷载差异较大，分别对三级荷载进行分析，以确定每一级荷 载都能顺利完成并计算了撞击产生的加速度值。碰撞模拟主要通过对小球施加水平速度来实现。按照 能量守恒定理8-9: 1 22 mv + mgh = 0 ，(1)式中:m 为小球质量，h 为下落高度，g 为重力加速度，v 为水平速度。按式(1)可以将三级荷载分别换算成铅球的水平速度，一级荷载下:h1 = 400 mm，v1 = 2 800 mm / s; 二级荷载下:h2 = 800 mm，v2 = 3 960 mm / s;三级荷载下:h3 = 1 200 mm，v3 = 4 850 mm / s。2. 3. 1 一级撞击工况分析对刚体小球施加 2 800 mm / s 的平动速度，使其撞击结构。首先对结构的应力进行分析，得到了结 构的最大及最小平面应力云图。分析图形发现，结构主要受力构件应力均在材料极限强度之内，碰撞过程中结构下部应力增大，应 力变化区域主要集中在底层和二层的柱子及斜撑上，碰撞后上部结构应力开始增加，碰撞稳定后结构内 力与初始状态应力分布基本一致。由一级撞击工况下结构平动位移和扭转位移云图看出，顶部位移最 大碰撞时能够达到 1. 77 mm，吊脚层长柱处应力较大，且有一定的偏心，两榀抗侧力框架位移不对称，但 扭转位移依旧很小，结构处于安全状态10。2. 3. 2 二级撞击工况分析对刚体小球施加 3 960 mm / s 的平动速度，使其撞击结构。对结构 的应力进行分析，输出了结构的最大和最小平面应力云图。此工况 下，结构反应较一级荷载更加明显，但整体结构应力未超过材料极限 应力，然而局部应力很大，已经远远超出了材料的抗力范围。如图 6 所示结构撞击侧与撞击板直接接触的前柱节点处，柱已经 被压屈，局部应力较大，这主要是因为节点处在建模时没有考虑节点 板的存在，以至于节点处局部压屈，实际模型中由于节点是重点设防 部位，对节点部分进行了加强措施，因此不会出现类似问题11。由于底层柱节点局部破坏使结构位移更加不对称，底部出现较大平动位移和扭转位移，但位移值均属于正常范围。三级撞击工况分析2. 3. 3对刚体小球施加 4 850 mm / s 的平动速度，使其撞击结构。首先对结构的应力进行分析，输出了结构的最大和最小平面应力云图( 见图7、图 8)。撞击时刻结构整体应力有所增加，依然存在局部破坏的现象，同 样发生在柱子与撞击板接触的地方，但整体结构的应力均能够稳定在图 6 二级冲击下局部破坏Fig. 6 The local damage of secondary impact60 MPa 之内。吊脚层的柱间支撑应力明显增大，柱端应力增大说明层间位移增加，但整体结构不至于倒塌。714广西大学学报:自然科学版第 39 卷图 7 三级冲击下最大主应力Fig. 7 The maximum principal stress of ultimate impact图 8 三级冲击下最小主应力Fig. 8 The minimum principal stress of ultimate impact从结构三级撞击下的平动位移和转动位移云图(图 9、图 10 ) 看出，二层的框架支撑位移明显增大，达到 6 mm，说明该杆件已破坏，但顶层位移未超过 3 mm，位移角不足 3 /1 000，不致倒塌。图 9 三级冲击下平动位移Fig. 9 Translational displacement of ultimate impact图 10 三级冲击下转动位移Fig. 10 otational displacement of ultimate impact三级荷载的加速度分析2. 3. 4在结构接触板后方设置参考点，对三级撞击荷载的动力加速度进行了输出，见图 11。图中相位差薛建阳等:冲击荷载下吊脚楼建筑结构模型研究715第 4 期是由于小球在计算中始终从固定位置开始运动，以致撞击时刻有所差异。一级撞击加速度峰值为122 g(g 为重力加速度，1 g = 9. 8 m / s2 ，下同)，二级撞击加速度峰值为 271 g，三级撞击加速度峰值为 555 g， 且结构未发生倒塌破坏。图 11 撞击加速度时程Fig. 11 The impact acceleration with time history结语3通过对模型在冲击荷载作用下的试验研究及单侧冲击荷载作用下有限元分析，得出以下结论: 在静力荷载下，结构平动位移从上到下依次减小并趋于均匀，主要原因是结构刚度从上到下依 次增大，这样使得结构稳定性更好。转