冲击荷载下的结构内力分析

冲击荷载下的结构内力分析

摘要：通过建立模型，对结构承受冲击荷载作用的内力加以分析，分析结构在冲击荷载作用下易失效的部位，得到一些对工程实际有价值的结论。

关键词：冲击荷载;失效部位; 承载力; 稳定性

Abstract: through the model building, the structure under impact loading the analysis of the internal force, analyzes the structure under impact loading of the failure of easy parts, get some of the engineering practice valuable results.

Keywords: impact load; Failure parts; Bearing capacity; stability

1.引言

近年来，由于恐怖袭击或爆炸引起的建筑物受冲击荷载作用的事件越来越多，对社会产生了恶劣的影响，而冲击作用对建筑物结构的破坏作用巨大，往往会产生较大的经济损失及人员伤亡事故，逐渐引起了工程界的研究与社会各界的关注。

当建筑物承受冲击力作用后，在结构内部内力分布情况往往较为复杂，通常情况下，由于建筑物在短时内受到了较大作用的力，结构内积聚大量的能量，从而首先表现在引起结构局部构件的破坏，使得整体结构的内力重分布，内力分布的变化引起各构件的承载力不足或构件失稳，进而使各构件逐步遭到破坏，最终引起建筑物的整体破坏。

冲击荷载作为偶然荷载，具有其不确定性，当冲击荷载作用时，其对结构产生破坏较难加以预测，美国的Albllhassan Astaneh指出阻止偶然荷载破坏需设置外围防护结构及提高自身的强度[1]。熊世树认为防御连续性倒塌的方法是提供备用的传力路径[2]。朱炳寅在对莫斯科中国贸易中心设计时提出局部抗力增强的设计[3]。但结构在冲击荷载作用下失效构件位置往往难以确定，本文通过计算，对构件易失效部位加以分析。

2.计算方法

2.1计算模型

由于冲击荷载的特殊性，很难进行现场试验，在其理论研究中，往往通过电算法进行模拟，本文以白卡纸为材料，材料性能参数见表1。通过计算并制作模型，在加载台上进行加载。模型主题结构为三层框架结构，首层高度200mm，第二层高度400mm，第三层高度550mm，每层平面为200 mm×200 mm，顶部施加15kg静载，第二层水平方向施加冲击荷载，冲击荷载通过加载装置施加，其大小为5kg荷载块下落100mm产生的荷载，加载示意图如图1。

图1 加载示意图

表1 材料参数表

质量密度（t/）弹性模量(N/) 屈服强度(MPa) 抗压强度(MPa) 抗剪强度(MPa)

0.79 1500 4.7 15 10

2.2荷载计算

欲求得被冲击物中最大动应力和最大动变形，可使用能量法近似计算出值，根据机械能守恒定律，=+V，

其中V=Q(h+)，=，

式中，冲击物的动能为零，为冲击物的全部能量，为完全转变为被冲击物的弹性变形能，V为冲击物的势能，Q为冲击物质量，h为冲击物下落高度，为冲击瞬间弹性系统产生的动变形，为动荷载，为弹性系数，为弹性系统在静荷载作用下产生的静变形。

所以可得，；

2.3 结构模型计算

由于模型承受竖向荷载主要集中在顶部位置，为防止承受荷载的梁产生较大挠度，加入斜向支撑，当模型仅受竖向静荷载作用时，结构的主要控制因素为截面的承载力，利用圆环截面构件建立满足竖向荷载承载力需求的模型如图2、表2。

图2 模型示意图

表2 模型主要构件截面参数

柱斜撑顶层、中间层梁底层梁

内径8mm 6mm 6mm 4mm

层数 3 3 3 3

当模型承受横向冲击荷载，为研究结构整体在冲击作用下的影响，避免结构因冲击连接构件破坏而整体受力不明显的影响，将冲击连接构件二层加载位置梁两侧的节点上以共同受力，利用前述动荷载计算方法求得冲击荷载，当冲击荷载作用在结构上时，结构各构件均呈现出不满足状态，如图3。

图3 冲击荷载作用下内力图

其现象主要表现为以下几点：

（1）柱中内力增大，致使柱正截面承载力不足，应力比增大4~9倍；

（2）冲击荷载作用，使得柱承受压力增大，柱难以满足稳定性的要求；

（3）梁截面内力增大，承载力不足，挠度过大。

由以上现象不难发现，冲击荷载的作用，使结构内力分布发生了较大的变化，首先，柱中内力显著增大，原有截面不足以满足内力的改变，需增大截面或增加承力构件，其中底层柱更为严重。其次，梁端传来过大的力，使梁中产生较大的弯矩，需增大截面或改变传力途径以减少梁中内力。

因此，在冲击荷载作用下，结构破坏的形式主要有以下几种：

（1）当节点连接不牢靠时，当内力突然发生变化，节点首先发生破坏，由节点的破坏导致结构的整体破坏；

（2）柱中承受压力过大，容易产生失稳破坏，当柱产生弯曲或其他损坏，进一步导致内力重分布，致使结构破坏，其中结构底部的柱易首先发生破坏，即地层易先于上层结构破坏；

（3）直接承受冲击荷载作用的楼层较其他楼层容易产生较大的层间位移，层间位移的增大，加剧结构的破坏。

鉴于以上原因，采取以下措施：1.结构两侧增加斜向支撑，增加竖向力的传力途径，以避免柱承受过大压力；2.在底层增加十字形支撑，增强底层柱的稳定性与整体刚度，避免底层结构先发生破坏；3.增设层间斜向受拉构件，防止直接承受冲击荷载层与其他楼层间产生过大位移。计算结果如图4。

图4 修改后模型内力图

增设构件后，各构件均能满足冲击荷载下的承载力与稳定性的要求，故前述分析对于抵抗冲击荷载的作用能起到一定的作用。

3.结语

（1）结构承受冲击荷载时，内力发生显著变化，因此结构应具有可靠地传力途径，避免内力重分布时使得构件内力过大而破坏；

（2）冲击荷载下结构的破坏主要体现在柱的承载力及稳定性不足，因此应采取措施保证柱的截面尺寸或增设承力构件；

（3）直接承受冲击荷载的部位易产生较大的层间位移，所以采取相应措施避免过大位移的产生；

（4）实际加载过程中应注重节点的连接可靠，防止节点先于结构发生破坏。

参考文献：

[1] Astaneh-asl．Progressive Collapse Prevention in New and Existing Buildings. Proc.of the 9th Arab Structural Enginneering Conf. 2003,9:253~359

[2] 熊明祥．钢框架组合结构的冲击响应和防护措施研究．华中科技大学硕士学位论文．2003:57~58

[3] 朱炳寅，胡北，胡纯炀．莫斯科中国贸易中心工程防止结构连续倒塌设计．207,37（12）：6~9