自美国“9.11”事件以来,世界各国对建筑物安全性的要求日益提高。随着经济的发展,机动车数量增加,临街建筑越来越密集,汽车与建筑物的碰撞事故逐渐增多。建筑结构,特别是一些高档、大型、有重要功能的公共建筑,抗车辆撞击的性能需要科研人员和设计人员予以高度重视。

　　 近年来,关于结构构件在撞击荷载作用下的动力响应研究逐渐增多 ^[1,2,3],但对于结构整体遭受汽车撞击后的破坏过程、受损情况等动力响应的研究还不多。何庆峰等 ^[4]利用有限元软件LS-DYNA模拟分析了上部楼层倒塌冲击下部楼层的问题,提出增加构件配筋率可提高框架在冲击荷载作用下的抗连续倒塌能力。程小卫等 ^[5]利用LS-DYNA建立钢筋混凝土框架模型,分别采用《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010) ^[6](简称高规)中拆除构件法和撞击全过程法分析了混凝土框架的动力响应;结果表明:现行高规中的拆除构件法在分析过程中忽略了撞击力对周围结构造成的初始损伤、初始位移和初始速度,低估了结构的动力响应,严重低估了结构响应速度,无法合理反映撞击荷载作用下框架结构的破坏模式。

　　 我国现行《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012) ^[7](简称荷载规范)和《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2015) ^[8](简称公路桥涵规范)两本规范均采用等效静力加载方法考虑汽车撞击作用,该方法便于设计人员实际操作,但无法直接获得结构在撞击荷载作用下的动力时程响应。

　　 综上所述,本文利用有限元分析方法直接加载车辆撞击荷载,研究框架结构在撞击荷载作用下的动力响应。并根据计算分析结果提出评价框架结构抗撞击性能的标准及提高框架结构抗撞击性能的设计建议。

　　 本文以某工程局部9层框架为研究对象。该局部框架位于建筑临街的入口大堂处,采用钢管混凝土柱-钢梁混合框架结构。框架首层至三层通高,形成12.5m高的大堂空间,东西向框架柱跨度为16.8m,南北向框架柱跨度为8.4m;四层至九层层高均为4m,东西、南北两个方向框架柱跨度均为8.4m。四层结构平面图如图1所示。首层至三层的钢管混凝土框架柱截面尺寸均为1 100mm×1 100mm,钢管壁厚35mm,其他钢管混凝土框架柱截面尺寸为800mm×800mm,钢管壁厚30mm,四层托柱转换梁采用箱形截面,截面为□900×1 200×35×35。钢材强度均为Q345,钢管混凝土柱内混凝土强度等级为C40。

　　 采用前处理软件VPG建立实体有限元模型,模型按照实际工程原型建立,有限元模型见图2,其中撞击车辆的车头模型按照常见车辆头部的形状及尺寸建模,仅做细部简化,划分为精细化有限元单元网格,车头模型尺寸为1 500mm(长)×1 900mm(宽)×500mm(高),撞击车辆的车身模型做适当简化,划分为略粗的有限元单元网格。图2中圈出的框架柱为本研究中受撞击柱,其上支承的框架梁为托柱转换梁。本文研究了钢管混凝土柱-钢梁混合框架,钢筋混凝土框架以及钢框架三种框架结构的抗撞击性能。三种框架结构中首层至三层的框架柱截面尺寸均为1 100mm×1 100mm(包括受撞击框架柱),其他框架柱的截面尺寸为800mm×800mm,钢管混凝土柱和钢管柱的壁厚为35mm,钢筋混凝土柱配筋率为1.2%。

　　 根据荷载规范,撞击车辆质量取15t,撞击速度取22.2m/s,撞击位置为框架柱底部以上0.5m。汽车与框架柱之间采用自动面面接触(automatic_surface_to_surface contact)模拟。首层全部框架柱的底端均采用固定约束。

　　 本研究中,撞击车辆由高强度钢材构成,采用LS-DYNA中随动塑性材料模型(mat_plastic_kinematic),钢材屈服强度为500MPa;框架中钢材和钢筋选用分段线性弹塑性材料模型(mat_piecewise_linear_plasticity),通过输入钢材应力-应变曲线定义材料本构关系。钢材强度为Q345,钢筋强度为HRB400。混凝土采用破坏模型(mat_concrete_damage_rel3),框架柱的混凝土强度等级为C40,梁和楼板的混凝土强度等级为C30。钢材和混凝土材料均根据《钢结构设计规范》(GB 50017—2017) ^[9]和《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010) ^[10]定义材料属性。

　　 混凝土材料和钢材的应变率效应分别按CEB模型 ^[11]和Cowper-Symonds模型 ^[12]考虑,以反映材料在撞击过程中强度的提高。此外,研究中采用LS-DYNA中侵蚀算法(mat_add_erosion)模拟撞击荷载作用下混凝土的破碎和钢材的断裂现象 ^[12]。

　　 文献[13]对单、双层钢管混凝土构件及空钢管构件受侧向冲击进行了试验和有限元模拟,验证了上述建模方法的可行性和可靠性。

　　 钢管混凝土柱-钢梁混合框架在撞击荷载作用下的动力响应如图3所示。在车辆撞击瞬间,框架受撞击部位的钢材迅速进入屈服状态,混凝土也发生了严重的损伤,如图3(a)和图3(b)所示。整个撞击过程结束时,只有受撞击钢管混凝土柱的钢材应力有明显增加,且进入屈服状态的钢材仍只局限于柱受撞击部位(图3(c))。而此时,受撞击柱内的混凝土材料已发生严重破坏,且与受撞击柱相邻的3层混凝土楼板和4～7层柱混凝土也发生了不同程度的损伤(图3(d))。混凝土楼板的损伤始于角部,在与受撞击柱邻近的边角部损伤较为严重。由于钢管约束作用,钢管内混凝土的损伤并未对整体框架结构有较明显的影响,即使在受撞击部位,钢管混凝土柱也仅产生了局部变形,钢管在3个非撞击面上发生了轻微鼓胀,如图3(e)所示。整体而言,撞击荷载作用的影响仅限于受撞击的钢管混凝土柱及与其相邻的少数构件,钢管混凝土柱-钢梁混合框架无连续倒塌风险。

　　 钢筋混凝土框架在撞击荷载作用下的动力响应如图4所示,其中,t₁为撞击荷载达到峰值的时间,t₂为撞击车辆与框架分离,整个撞击过程结束的时间;另外,图中还给出了50ms和100ms时框架中混凝土有效塑性应变云图(图4(b)和图4(c))。

　　 在车辆撞击的瞬间,框架受撞击部位的混凝土迅速发生严重损伤(图4(a))。在50ms时刻(图4(b)),受撞击框架柱的混凝土已全部发生严重损伤,且柱在受撞击部位发生明显变形,混凝土出现破碎、剥落。在三层框架梁和楼板邻近受撞击柱处,混凝土也已出现明显损伤。此外,框架梁柱节点、边框梁跨中以及各层楼板角部的混凝土均出现了轻微损伤且损伤区域有扩大趋势。在100ms时刻(图4(c)),柱在受撞击部位的变形进一步加剧,受撞击部位混凝土破碎、剥落严重。混凝土损伤范围继续扩大,多数框架梁柱节点、框架梁跨中以及各层楼板边角部的混凝土均出现明显损伤(图4(d))。整个撞击过程结束时,受撞击部位混凝土破损严重,钢筋进入屈服状态,急剧扭曲变形甚至出现断裂现象(图4(e)和图4(f))。由于钢筋混凝土柱在撞击荷载作用下产生了极大变形,整体框架出现竖向向下位移,呈现连续倒塌趋势。整个框架的混凝土已受损,其中框架梁柱节点、框架梁跨中以及多层楼板边角部混凝土均损伤严重。

　　 钢框架在撞击荷载作用下的破坏和损伤模式与钢管混凝土柱-钢梁混合框架相似。在车辆撞击的瞬间,钢框架受撞击部位的钢材迅速进入屈服状态,而混凝土楼板还未受到撞击作用的影响,未出现损伤。整个撞击过程结束时,只有受撞击钢管柱及与其相邻梁、柱的钢材应力有明显增加,且进入屈服状态的钢材仍只局限于钢管柱受撞击部位。与此同时,三层混凝土楼板在与受撞击钢管柱邻近的边角部损伤较为明显。撞击荷载作用的影响仅限于受撞击的钢管柱及与其相邻的少部分构件,钢框架结构整体无连续倒塌风险。

　　 根据三种框架结构在撞击荷载作用下的破坏及损伤发展情况可知,提高可能遭受撞击的框架柱及与其相邻构件的强度、加强混凝土楼板边角部位同主次梁构造连接可有效提高框架结构的抗撞击性能。此外,根据已有研究,提高梁柱节点的刚度,框架结构的抗侧刚度会随之增加 ^[14],进而提高框架结构整体的抗撞击性能。

　　 撞击荷载作用所产生的撞击力时程曲线如图5所示。表1比较了三种框架结构在相同撞击荷载作用下撞击力达到峰值的时刻t₁,整个撞击过程的时间t₂以及峰值撞击力P_max。可以看出,车辆撞击三种框架所产生的撞击力均在不到1ms的时间内达到峰值,钢管混凝土柱-钢梁混合框架的峰值撞击力最大,其次是钢筋混凝土框架,最后是钢框架(表1)。随后,撞击力下降至相对平缓的阶段,钢管混凝土柱-钢梁混合框架和钢框架在这一阶段的撞击力明显大于钢筋混凝土框架的撞击力。随着撞击车辆与受撞击框架柱的分离,撞击力减小至零,整个撞击过程结束。钢管混凝土柱-钢梁混合框架和钢框架的撞击过程历时基本相同,且远小于钢筋混凝土框架。综上所述,框架结构的撞击力时程曲线基本可分为峰值段、平稳段和下降段。

　　 荷载规范中顺行方向的汽车撞击力标准值P_k可按下式计算:

　　 ${\rm P}{}_{\text{k}}=\frac{mv}{t}(1)$

　　 式中:m为汽车质量,规范中建议取15t;v为车速,规范中建议取22.2m/s(即80km/h);t为撞击时间,规范中建议值为1.0s ^[7]。

　　 由此,根据公式(1)及荷载规范建议值可求得顺行方向的汽车撞击力标准值P_k为333kN。

　　 公路桥涵规范中汽车撞击力设计值在顺行方向取1 000kN。对设有防撞设施的结构构件,可对汽车撞击力设计值予以折减,但折减后的汽车撞击力设计值不应低于上述规定值的1/6 ^[8]。

　　 与荷载规范相比,整个撞击过程的历时明显小于其建议值1.0s。此外,撞击力波动剧烈,并非恒定值,且远大于荷载规范计算值333kN以及公路桥涵规范中的建议值1 000kN。可见,我国现行这两本规范严重低估了车辆撞击力。

　　 框架结构受撞击部位A点(图2)的水平位移时程曲线如图6所示,水平位移的方向与车辆撞击方向相同时为正,反之为负。在撞击荷载作用下,A点的水平位移逐渐增大至最大值,随后出现一定程度的波动回弹,最终维持在相对稳定的变形值。三种框架结构中,钢管混凝土柱-钢梁混合框架在A点的水平位移最小,其次是钢框架,而钢筋混凝土框架在A点的水平位移最大,这与图3和图4所显示的框架结构受撞击部位的局部变形模式是一致的。在整个撞击过程中,钢筋混凝土框架在A点的最大水平位移w_A分别为钢管混凝土柱-钢梁混合框架的14.3倍和钢框架的8.1倍,如表2所示。国内外研究和规范对受撞击部位的变形限值尚未有统一标准,通常取受撞击构件边长的6%～10% ^[13]。本研究中,三种框架结构受撞击框架柱边长均为1 100mm,则框架柱受撞击部位变形限值可取其边长的6%,即66mm。据此,在现有撞击荷载作用下,三种框架结构中仅有钢管混凝土柱-钢梁混合框架受撞击部位变形满足小于此限值的要求,如表2所示。

　　 受撞击框架柱顶点B(图2)的水平和竖向位移时程曲线分别如图7和图8所示。钢管混凝土柱-钢梁混合框架和钢框架在B点的水平和竖向位移时程曲线均出现明显波动,这主要是由于框架柱在撞击荷载作用下摇摆造成的。钢筋混凝土框架在B点的水平和竖向位移时程曲线无明显波动。钢筋混凝土框架在B点的最大水平位移和最大竖向位移远远大于钢管混凝土柱-钢梁混合框架和钢框架的,如表2所示。撞击过程结束时,钢管混凝土柱-钢梁混合框架和钢框架在受撞击柱顶点B的水平和竖向位移已基本稳定且数值很小,说明这两种框架结构不存在连续倒塌风险,而钢筋混凝土框架柱顶点B的水平和竖向位移仍在急剧增大,未达到稳定值,可认为钢筋混凝土框架发生连续性倒塌。

　　 参考《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010) ^[15],本文提出以下变形限值条件,用以评价框架结构抗撞击性能:

　　 (1)为保证框架受撞击部位的局部变形仍小于框架结构极限变形,使结构不至于因局部破坏而发生连续性倒塌,受撞击部位A点的最大水平位移的绝对值与层高之比(|w_A|/H)不大于1/50。

　　 (2)为保证框架结构整体在撞击荷载作用下仍基本处于弹性状态,仅发生轻微损伤,保证填充墙、隔墙和幕墙等非结构构件基本完好,避免明显损伤,对于钢框架,受撞击框架柱顶点B的最大水平位移的绝对值与层高之比(|w_B|/H)不大于1/200;对于钢管混凝土柱-钢梁混合框架和钢筋混凝土框架,受撞击框架柱顶点B的最大水平位移的绝对值与层高之比(|w_B|/H)不大于1/250。

　　 在撞击荷载作用下,三种框架结构在受撞击部位均已发生塑性变形,而钢管混凝土柱-钢梁混合框架和钢框架整体在撞击荷载作用下仍基本处于弹性状态。表2中列出了A,B两点最大水平位移的绝对值同层高H的比值。根据上述评价标准可知,钢管混凝土柱-钢梁混合框架和钢框架在受撞击点A与受撞击框架柱顶点B处的水平位移与层高之比均满足小于相应的限值的要求,且有较多富余量,整体结构未出现连续性倒塌迹象,经修复加固后可继续承重使用。反之,钢筋混凝土框架在受撞击点A与受撞击框架柱顶点B处的水平位移与层高之比均远超出限值,结构出现整体连续性倒塌破坏,无法继续承重。

　　 由撞击力时程曲线和A点水平位移时程曲线可得到三种框架结构受撞击部位撞击力-变形曲线,该曲线所包围的面积等于撞击过程中框架结构所吸收的能量E_a。经过计算,钢管混凝土柱-钢梁混合框架、钢筋混凝土框架和钢框架在相同的撞击荷载作用下所吸收的能量E_a如表3所示。由框架结构吸收的能量E_a及其受撞击部位的最大水平位移w_A,可计算出车辆撞击力代表值P_r:

　　 ${\rm P}{}_{\text{r}}=\frac{E{}_{\text{a}}}{w{}_{\text{A}}}(2)$

　　 表3列出了三种框架结构的撞击力代表值。由表3可见,钢管混凝土柱-钢梁混合框架的撞击力代表值是钢筋混凝土框架的13.2倍,是钢框架的1.8倍。根据功能原理,撞击力代表值越大,框架结构受撞击后产生的变形越小,抗撞击性能越好。

　　 在撞击过程中,除了框架结构吸收的能量,初始撞击动能会转化为撞击车辆的反弹动能、热能等。框架结构的吸能效率,即吸收的能量与初始撞击动能的比值(E_a/E)如表3所示。在三种框架结构中,钢筋混凝土框架的吸能效率比钢管混凝土柱-钢梁混合框架和钢框架高6%。撞击过程中,结构吸能效率越高,就意味着结构需要产生更大的变形或承受更大的撞击力去消耗多吸收的能量,撞击荷载对结构的影响越大。

　　 对于框架结构,良好的抗撞击性能体现在受到撞击后结构的吸能效率不高,且结构可通过产生较大但不至造成严重损伤的撞击力将吸收的能量消耗掉,最终仅形成有限的局部变形,对整体结构的影响较小。综合比较,三种框架结构中,钢管混凝土柱-钢梁混合框架的抗撞击性能最佳,其次是钢框架,最次是钢筋混凝土框架。

　　 (1)在相同撞击荷载作用下,钢管混凝土柱-钢梁混合框架表现出最佳的抗撞击性能,仅受撞击柱及其相邻少数构件发生一定程度的损伤;钢筋混凝土框架整体受到严重破坏。

　　 (2)撞击过程中,撞击力并非恒定值,其时程曲线由峰值段、平稳段和下降段组成。整个撞击过程的历时明显小于荷载规范建议值,撞击力远高于荷载规范和公路桥涵规范计算值。

　　 (3)在相同撞击荷载作用下,钢管混凝土柱-钢梁混合框架和钢框架的局部变形和整体位移均远小于钢筋混凝土框架。

　　 (4)提出以下变形限值,用以评价框架结构的抗撞击性能:受撞击部位的变形不超过受撞击构件边长的6%;受撞击部位水平位移与层高之比不超过1/50;受撞击框架柱顶水平位移与层高之比:对于钢框架不超过1/200,对于钢管混凝土柱-钢梁混合框架和钢筋混凝土框架不超过1/250。

　　 (5)本研究提出撞击力代表值的计算方法,撞击力代表值越高,框架结构抗撞击性能越好。

　　 (6)采用有限元方法模拟车辆撞击问题,能够更加准确直观地反映框架结构在撞击荷载作用下的薄弱部位,在实际工程中采取相应措施加强这些薄弱部位,以提高框架结构的抗撞击性能。

　　 (7)对于采用框架结构体系且安全等级高、受撞击风险大的重要建筑,优先采用钢管混凝土柱-钢梁混合框架结构;提高框架结构梁柱节点强度;加强混凝土楼板边角部同主次梁的构造连接,提高楼板拉结作用。