汽车撞击下钢筋混凝土框架的动态响应与破坏模式研究
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ANSYS/LSDYNA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：TU375.4文献标志码：A
Abstract： In order to study the dynamic response， damage mechanism and failure mode of reinforced concrete （RC） frame， explicit dynamic analysis software ANSYS/LSDYNA was used to build a model structure of sixstory reinforced concrete frame， then the damage processes of corner column and side column of the reinforced concrete frame under vehicle impact with different speeds were simulated. The results show that the failure process of corner column is same with the failure process of side column under vehicle impact. The relationship of maximum impact force and impact velocity is linear. Equivalent value of the car collision force in Chinese specification is unsafe. Under vehicle impact，the bending shear failure occurs at the bottom of the column， and the shear failure occurs at the top of the column；the dynamic response of the structure has limitations， and it is only related with the collision column and the surrounding adjacent members.
Key words： vehicle impact； reinforced concrete frame； damage mechanism； failure mode； linear relationship
0引言
随着经济的发展，机动车辆越来越多，大量建筑物也逐渐兴建起来，邻近路边的建筑物越来越密集，室内室外停车场所随处可见，汽车与建筑物之间的碰撞越来越多，并且往往会造成严重的后果，因此对建筑物遭受汽车撞击的研究非常有必要。在汽车撞击建筑结构的过程中，人们往往只关注发生很大破损、危及乘客和行人安全的汽车安全性能研究[12]，却忽视了遭受汽车撞击的建筑物的损伤破坏，结构遭受侧向撞击产生的损伤破坏会随着时间的推移越来越严重，最终发生难以挽救的后果。
在撞击研究方面，桥梁遭受船舶撞击的研究是比较成熟的[34]，汽车撞击研究主要集中在汽车撞击路桥护栏[5]、高架桥桥墩[67]和单根柱[8]的研究上，做理论分析时也大多简化为双自由度的质量弹簧模型[910]；另外，陆新征等[11]对超高车辆撞击桥梁上部结构的研究已经比较完善；对于整体建筑结构遭受汽车撞击的研究基本处于空白状态，研究甚少。基于此，本文运用显式动力分析软件ANSYS/LSDYNA对汽车与钢筋混凝土框架结构的碰撞过程进行了数值仿真。首先，根据《混凝土结构设计规范》[12]，利用1栋实际建筑结构的数据建立了6层钢筋混凝土框架结构的多尺度有限元模型；然后，研究了钢筋混凝土框架结构的角柱和边中柱在同一重型汽车、不同撞击速度（20，50，80 km・h-1）下的动态响应、损伤机理及破坏模式；最后，与相关的规范、规则进行比较分析。
本文研究内容既对建筑结构的抗撞性能分析和耐撞性设计具有重要的参考意义，也对建筑物遭受汽车撞击后的修补和加固具有技术方面的指导意义。
1模型简介
1.1汽车有限元模型
世界上汽车制造行业发达的国家都有新车撞击试验项目及其承受能力的规定，通过撞击试验检验新车是否符合规范是必不可少的环节。美国国家碰撞分析中心（National Crash Analysis Center，NCAC）是美国联邦高速公路管理局（FHWA）、美国交通安全管理局（NHTSA）和乔治华盛顿大学（GW）共同创办的一个机构，具有世界上最大最全的汽车碰撞试验和汽车安全报告的数据库，并且研究人员及大众都可免费获得这些信息。本文所采用的重型汽车有限元模型77kN Ford Truck是来自NCAC网站上的公开免费模型，此模型也是ANSYS/LSDYNA能识别计算的K文件，汽车有限元模型如图1所示。
1.2钢筋混凝土框架结构有限元模型
由于侧向撞击作用具有持续时间短、碰撞力大的特点，作用于钢筋混凝土结构会导致结构快速破坏，但破坏范围基本限制为被撞柱及其相邻构件，最终可能会导致结构的局部倒塌。基于此，钢筋混凝土框架结构采用大型通用分析软件ANSYS/LSDYNA建立多尺度模型[1314]，包括碰撞直接相关区、碰撞间接相关区和碰撞无关区。 钢筋混凝土框架结构柱的截面尺寸都为500 mm×500 mm，对称配置818的钢筋；梁的截面尺寸都为600 mm×300 mm，配置818的钢筋；板厚度为150 mm，配置受力筋为10@200，表面钢筋为8@200。首层层高为4 200 mm，标准层层高为3 600 mm，纵横向跨度均为6 000 mm。碰撞直接相关区采用三维分离式建模，钢筋为Beam161单元，混凝土为Solid164单元，网格尺寸控制为50 mm×50 mm，钢筋与混凝土单元之间共用节点。碰撞间接相关区梁、柱构件采用Beam161单元，板构件采用Shell163单元，网格尺寸为300 mm×300 mm。碰撞无关区梁、柱构件采用Beam161单元，不建立板构件，网格尺寸为300 mm×300 mm。钢筋混凝土框架结构有限元模型如图2所示。
1.3汽车钢筋混凝土框架结构耦合模型
将钢筋混凝土框架结构与汽车的有限元模型共同导入后处理软件LSPREPOST中，汽车与结构之间的最短距离为550 mm，接触定义为自动单面接触，粘结接触阻尼参数取为20，沙漏控制类型取为4[15]。为了防止结构在破坏时本身发生穿透现象，钢筋混凝土框架结构本身定义为自动侵蚀接触与自动点面接触。汽车结构耦合模型如图3所示。
1.4材料模型
框架结构中的混凝土强度等级为C30，钢筋为HRB400。碰撞直接相关区的混凝土材料采用*MAT_CONCRETE_DAMAGE_REAL3（MAT72）模型[16]，钢筋材料采用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC（MAT3）模型。考虑钢筋和混凝土的应变率效应，具体考虑方法参考文献[17]，[18]。钢筋的材料参数如表1所示。
1.5模型实例验证
根据肖岩等[19]对防撞柱试验车碰撞性能的研究，运用ANSYS/LSDYNA对他们的试验进行有限元模拟。在模拟时，材料模型和参数设置与文献[14]相同。通过结果对比可知，有限元分析能很好地模拟汽车与钢管混凝土柱的碰撞过程。碰撞后汽车与钢管混凝土柱的破坏形态如图4所示，柱顶位图4碰撞后汽车与钢管混凝土柱的破坏形态从最终碰撞形态来看，汽车车头的破坏模式基本相同，汽车损坏严重，保险杆首先从中间断裂，车头严重向内凹陷，车盖向上被掀起；钢管混凝土柱未发生明显的破坏，只发生了极小的水平位移。从柱顶水平位移来看，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33 mm，模拟所得为30 mm；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1 170 kN，有限元分析计算的最大碰撞力为1 300 kN。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20，50，80 km・h-1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，为了消除高频的数值噪音，对分析结果采用算术平均值数字滤波法处理，取LSPREPOST中的滤波参数Point Average取为2[20]。
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v的关系曲线（图8）。
在汽车的侧向撞击作用下，角柱和边中柱的损伤破坏过程是非常相似的，因此，本文只给出了撞击角柱的应变云图。在碰撞开始阶段，被撞柱就产生了很大的塑性应变，框架柱被撞击部位的背侧混凝土受拉破碎，保护层发生严重剥落，被撞柱柱底呈现弯剪破坏的形态；随着碰撞接触的继续深入，撞击部位的混凝土完全破坏（LSDYNA计算软件中表现为单元删除），柱底深入基础的纵向钢筋达到最大的塑性应变，且被拉断。相邻结构的应力、应变逐渐增加，达到塑性应变的单元越来越多。当计算时间达到0.3 s的时候，被撞柱柱顶与二层梁的交界面处发生断裂，混凝土单元开始删除，钢筋被拉断，此处呈现出完全的剪切破坏形态，梁柱节点处为结构中达到塑性应变单元最多的位置。当计算时间达到0.4 s的时候，被撞柱柱顶被完全剪断，其混凝土保护层完全剥落，钢筋直接暴露于空气之中。
由图11可知，在汽车的撞击作用下，由于碰撞时间极短，碰撞力峰值大，钢筋混凝土框架结构的破坏具有局部性，高应变区主要集中在被撞柱及其周围相邻的结构构件中，距离被撞部位较远的结构构件并没有发生太大的损伤，整体框架结构也没有发生连续性倒塌的现象[22]。4结语
（1）汽车撞击下钢筋混凝土框架结构的角柱与边中柱的损伤破坏过程基本相同，即其被撞柱柱顶的边界约束条件基本相同。
（2）最大碰撞力与汽车的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。
（3）钢筋混凝土框架遭受汽车撞击后，竖向内力会进行重分布，重新达到稳定状态，而不会发生连续性倒塌。汽车的侧向撞击影响具有局部性，只会对被撞柱及相邻构件造成影响。
（4）被撞柱柱底发生弯剪破坏，柱顶与梁的交界面发生剪切破坏，混凝土保护层发生严重剥落。相邻的梁柱节点是达到塑性应变的高密度区。
（5）在后续工作中，可以进一步研究不同跨度和层高对钢筋混凝土框架结构局部倒塌的影响，也可以继续研究汽车撞击后发生汽车爆炸对建筑结构的影响等。
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