赵文晴

(天津市建筑工程职工大学，天津 300074)

钢管构件以其优良的结构和经济的施工性能，在矿山基础设施中得到了越来越广泛的应用。然而，钢管管段可能会受到意外的横向冲击，或受到其他事件的影响，如基础设施的爆炸发生、车辆冲击等。近年来有很多试验对受横向冲击的CHS柱或梁进行了大量的研究。然而，横向冲击对整个结构的影响还有待研究。本文的目的：一是，研究在推土机横向冲击作用下钢管构件的局部变形和结构的整体变形。二是，采取数值模拟的方式分析研究管状构件在横向冲击下的受力行为。然后对各种构件的直径、厚度、冲击速度和钢材类型进行扩展研究。三是，比较静态建模和动态建模的结果，找出两种不同的方法模拟真实环境的优缺点。

一、 数值模拟方法

本研究采用动态有限元软件ABAQUS(6.14版本)对钢管冲击试验进行了数值模拟。在规定的边界条件下对试件进行建模，并对所有结果进行比较，以确定不同尺寸钢管柱的承载力。然后将这些模型扩展到不同的构件直径和厚度。

(一)几何特性

采用直径范围内的S4R可变形壳体单元对管状截面进行建模，截面尺寸和整体结构如图1所示，为外壳元素创建了一个相对精细的网格。为了简化模型方法，将连接其它两柱的顶管构件作为一个完整的结构焊接在柱上。该结构受推土机冲击后，在X、Y、Z三个方向均发生变形。为了简化模型，将结构固定在两列底部。然后结构的其余部分被限制在X, Y方向上移动。该推土机被建模为一个不可变形的刚性壳单元，刚体质量为50000千克。推土机只能沿水平方向移动。其中，推土机分别以1.08m/s、1.8m/s、3.25m/s的速度向结构移动。

(二)材料特性

钢管截面分别采用G250和G350两种钢材。管状构件依赖于弹塑性，钢的弹性性能用杨氏模量E=2.1×105Mpa和泊松值v=0.3表示，钢的密度在ABAQUS中规定为。塑性应力-应变曲线反映了钢的塑性性能。该模型主要用于确定管状采矿结构在横向冲击作用下的整体变形。因此，应力-应变关系可能不是以前的研究得到的典型结果。通过文献阅读了解到Cowper-Symonds模型提供了钢的最佳预测应变率。因此，目前模型使用的是Cowper-Symonds公式的速率效应与 Johnson-Cook模型。

—钢在应变率下的屈服强度

(三)接触规范

在该模型中只需要规范一种接触，即推土机与管状构件之间的接触。模型中设置简单的面与面接触，摩擦值为0.3，推土机如图1所示。从图中可以看出，推土机对管状构件的接触面被指定为弯曲面，这是为了简化模型。尖锐的接触面会使试验产生更为复杂的情况，从而导致模型失效。

图1 构件尺寸和推土机模型

(四)失效点

构件受推土机的力的施压，超出了管状构件抗弯矩的能力。在这种情况下，管状截面会发生局部屈曲，吸收横向冲击能量，从而产生可见的变形。

在吸收了一小部分能量后，直到没有发生进一步的局部变形，撞击会使构件处于受拉弯曲的状态。随着推土机的前进，局部会再次发生较小的变形。这种局部变形和整体变形交替发生，直至构件完全失效，这一点已被Bambach的实验结果所证明。

理想情况下，能量被吸收，横向碰撞速度将停止为零。因此，在代表推土机的刚体上增加了一个预定的场初速度。在本模型中，推土机以初始速度v向柱体移动，当推土机撞击柱体并将能量吸收转化为局部和全局变形后，推土机的速度会不断降低，直至停止。此外，采用渐进损伤模型在ABAQUS中模拟拉伸撕裂过程，以确定损伤阶段、损伤演化和总结构位移。

在该模型中，整个结构建立在ABAQUS中，以确定整个采矿结构在横向冲击后的变形。当冲击产生的应变超过钢管柱的破坏应变后，将变形扩展到整个结构中，称为整体变形。如果仅仅识别钢管柱的断裂，数据将是不稳定的。所以，将整个模型的失效点也就是推土机停止运动的失效点作为模型断裂的起始点是保守的。因此，这种情况被定义为推土机的停止点，而不是任何的断裂点。

所以，本研究采用渐进损伤模型，在任意构件发生断裂时终止分析。

(五)失效模式分析

本研究共模拟了22个样本来研究其特性和承受横向冲击的能力。只有那些有足够能力抵抗横向冲击的钢管柱才能被考虑用来维持和组成结构。该模型在ABAQUS中采用标准时间步长显示动态和静态通用分析。从推土机的数据中得到横向冲击载荷。

失效模式分析如图2所示，从t=0-0.1s开始，冲击器开始以稳定的速度与CHS构件接触。反作用力随时间增大；从t=0.1s-0.2s开始，构件发生局部变形以吸收能量，构件开始对弯矩产生抗拒。来自构件的反作用力迅速增大。从t=0.3s到t=0.4s可以看出，局部变形被激发为构件的局部屈曲，弯矩使构件产生更大的位移。与t=0.3s前相比，反力略有增加，并在此之后达到一个缩点，此时反力的增加速度较t=0.3s前缓慢。从t=0.5s开始，局部屈曲已经达到极限，保持稳定状态。此时，反作用力将继续保持稳定状态，直到下一阶段发生撕裂张力。管状柱不是完全垂直的。因此，在达到局部挠度极限后，冲击器将同时向垂直和水平两个方向移动。这将产生如图2所示的现象，从t=0.5到t=0.6周期。当t=0.6s后，构件发生局部屈曲极限后，从跨中弯曲状态变为撕裂状态。因此，从这个阶段起，反作用力又会增加。最终通过构件局部屈曲和整体屈曲吸收全部能量使冲击器停止，得到如图t=0.9s所示。

图2 钢管柱受横向冲击产生的形变

二、 动态建模结果分析

(一)钢材强度

为了考虑钢的屈服应力对构件行为的影响，分别用G250和G350两种不同的钢进行了模型模拟。该模型采用直径219.1mm、厚度6.4mm的管状构件，推土机速度为3.25m/s。

由变形结果图像可知，不同屈服应力钢的构件发生的挠度是相似的。这证明了屈服应力对钢管构件强度的影响是有限的。对于两种等级的钢管构件，推土机测得的反力和位移基本相同。这可能是因为影响是由整个结构类型和构件截面决定的。钢的等级决定了材料的屈服应力，但当涉及到整个结构时，忽略了其影响。

对比两种钢管的应力-应变曲线可知，高屈服应力的钢管与低屈服应力的钢管具有相同的初始峰值。在相同位移下，高屈服应力钢管的反力大于低屈服应力钢管的反力，适用于钢的应力—应变曲线。

(二)钢管厚度

采用不同厚度的构件来模拟试验，以探讨厚度对构件承载力的影响。在实验中，将推土机的速度限制在3.25m/s，所有构件均为G250钢材，管材截面直径仍为219.1mm。当厚度t=4.8mm时，最大反作用力为46kN，剩余应力为50kN；当厚度t=6.4mm时，最大反作用力为60kN，剩余应力为60kN；当厚度t=8.2mm时，最大反作用力为90kN，剩余应力为70kN；当厚度t=12.7mm时，最大反作用力为110kN，剩余应力为100kN；由结果可知，较厚的构件反作用力较大。

通过比较不同厚度钢管的整体变形曲线，可以发现，随着厚度的增加，构件的位移减小。在冲击过程中，较厚的构件会产生较大的反作用力。产生同样的挠度的构件，较厚的一个需要更多的冲击强度和吸收更多的能量。较薄的构件比较厚的构件产生更多的挠度。在平均残余应力方面，12.7mm等较厚的构件会产生较大的残余力，因为其长径比(L/D)比较小。长径比是决定构件承载力和受力变化的主要因素。

(三)推土机速度

选择直径291.1mm、厚度6.4mm的G250钢管，将模型扩展到不同推土机速度下，探讨推土机速度对钢管构件性能的影响。建模结果如下：当推土机速度v=1.08m/s时，最大反作用力为50kN，挠度为1.1m；当推土机速度v=1.8m/s时，最大反作用力为80kN，挠度为1.8m；当推土机速度v=3.25m/s时，最大反作用力为100kN，挠度为3.25m。

可以得知，推土机的速度对变形和反作用力的影响是显著的。在较低速度下(v=1.08m/s)，能量被构件吸收并转移到局部变形中。这导致了小变形的发生，通常在这种情况下，变形没有达到钢管的屈服应力。因此，它产生较小的变形和反作用力。当推土机速度增加到3.25m/s时，所产生的局部变形明显增大，产生更大反力。

(四)钢管直径

将其扩展到各种直径、各种厚度的管状构件后进行试验，推土机的速度限制在3.25m/s，所有构件均为G250钢材。

由实验结果可得，随着构件直径和厚度的增大，反作用力也随之增大。

三、 静态建模结果分析

考虑到推土机的初始速度为零，静态试验是为了找出结构在静载作用下的行为。这是为了模拟推土机以初始速度为零撞击立柱的场景。为了比较不同厚度、不同直径和不同钢种的管状构件的承载力，以下采用反力和挠度进行对比。

(一)几何特性

采用S4R壳体对金属管段进行建模，采用与动力试验相同的初始质量刚体对推土机进行建模。两个柱底的边界条件是固定的，并固定在柱的上端。给定推土机的位移为1m，模型在静态通用条件下运行。理想情况下，模拟结果将类似于应力-应变曲线。

(二)不同强度钢材的失效模式

在本试验中，只对G250和G350钢材进行建模，以确定不同的钢屈服应力对构件抗静载能力的影响。试验选用直径219.1mm、厚度6.4mm的G250和G350钢构件。试验结果证明G350构件抗跨中弯矩能力更强。

(三)不同厚度钢材的失效模式

选择直径为219.1mm的G250构件作为建模构件，采用四种不同厚度的钢材，以确定厚度对构件承载力的影响。

所有应力-应变曲线均趋近于挠度附近的缩颈区，约为0.2%。随着厚度的增加，反力不断增大，直至缩口，即构件在缩口处失效。其中，12.7mm厚构件的承载力有显著的提高，说明越厚的构件的承载力越高。

当厚度t=4.8mm时，D/t=45.65,极限承载力为34kN；当厚度t=6.4mm时，D/t=34.23,极限承载力为48kN；当厚度t=8.2mm时，D/t=26.72,极限承载力为61kN；当厚度t=12.7mm时，D/t=17.25,极限承载力为98kN。由试验结果可知，在构件的长度已经确定的情况下，极限承载力随着直径与厚度的比值的减小而增大。

(四)不同直径钢材的失效模式

选用厚度为6.4mm的G250钢材，直径分别为141.3mm、168.3mm、219.1mm、273.1mm、323.6mm、406.4mm，来试验不同直径对构件的承载力的影响。

如结果所示，在相同厚度下，增大构件直径，反力也随之增大。特别是直径为323.9mm和406.4mm的构件的承载力大幅提高，是其他构件的两倍。

四、分析与讨论

(一)力和变形的关系

由以上的静态和动态模拟结果可以看出，动态和静态模拟都可以很好地预测结构在受到横向冲击时的行为。静态试验结果主要确定构件的承载力和材料的性能。当应变达到总应变的0.2%时，出现缩颈区，然后构件出现失效，这与钢的应力-应变曲线相吻合。整体响应由整体变形决定，主要由静态试验识别。

静态试验结果表明，构件的局部屈曲和整体变形是比较符合实际的。大量的能量从冲击载荷转移到局部屈曲。其余部分产生全局变形。静态试验可以预测构件在某一特定时刻的受力行为。通过平均残余应力来确定初始峰值。它最终导致张力撕裂，并导致第二阶段反作用力的增加。

(二)动态建模和静态建模的比较

静态建模与动态建模的对比如图3所示。静态试验的破坏模式是钢的屈服，不包括构件的变形。挠度是柱在跨中弯矩作用下的挠度。它假定在构件中没有局部屈曲。而在动态模拟中，构件的局部变形和整体变形都包含在内。静态试验的跨中变形大于动态试验的跨中变形，说明局部屈曲吸收了巨大的能量，产生的整体变形较小。这也可以被认为是管状构件用于结构的优点之一。

因此，在静态建模中，主要的失效模式是钢材的失效。开始时反力随位移的增加而增大。当材料达到屈服后，反力保持稳定或缓慢上升。

动态建模中主要的失效模式是管形截面失效，管形截面失效是导致柱构件失效的主要原因。改进了对局部变形对结构影响的考虑。因此，该模型可以动态地更准确地预测实际情况。

(a)动态建模

(b)静态建模

静态模拟和动态模拟结果如图4所示，四个不同的构件分别在静态和动态模式下建模。第一个阶段是加载的开始，静态试验将接近一个缩口区域，在该区域，构件由于达到了钢的屈服应力而失效。而动态试验则会产生反作用力达到最高点的峰值区域。此时构件受到横向冲击，局部屈曲破坏，柱构件开始破坏。

在第二阶段，静态试验会产生一个平滑的几乎水平的直线周期。这意味着构件失效但仍处于塑性变形状态。动态试验中，钢管构件在未发生任何其他变形之前就发生局部屈曲破坏。在塑性变形和局部屈曲的共同作用下，使应力-应变曲线不断波动。这段时间称为平均剩余载荷区。

对比动、静态试验，第二阶段有相似之处。动应力的残余应力在静态试验结果附近波动。由此可见，经过动态试验的峰值区域后，变形与静态塑性变形是一致的。这段时间的波动是由于局部变形吸收了能量，导致反力上下波动。

对于较小的构件，其残余应力区域的破坏模式更为相似。较大的构件会产生较多的局部变形，从而影响曲线的波动。趋势线可以看出，它仍然遵循静态应力-应变曲率。

然而，动态试验是静态试验加上局部屈曲。这就是第二阶段动态建模结果与静态试验结果相似的原因。因此，为了预测构件的承载力和行为，静态和动态建模都是必要的。

图4 动态模拟结果和静态模拟结果的比较

五、 结论与未来研究进步方向

(一)结论

本文进行了钢管采矿结构在柱跨中受横向冲击的数值模拟。比较了动态和静态模型，以确定管状构件的行为。结果表明，管状构件具有良好的抗横向冲击性能，ABAQUS动态和静态模拟均能较好地预测构件的受力性能。静态建模主要是确定采矿结构的构件承载力。模拟结果表明，该模型能较好地预测构件的破坏模式。而在动态模拟中，可以很好地预测截面行为和整体变形。模拟结果显示了初始峰值、平均残余应力和撕裂张力阶段。对模型的静态和动态模拟结果进行了比较。结论是除了最初的峰值阶段，平均残余应力阶段与静应力应变曲线相似。这说明局部屈曲是构件吸收冲击能量的重要组成部分。所有不同直径和厚度的构件都经过了测试，均表现出足够的抗冲击能力。结果表明，所有构件在横向碰撞后均发生破坏，但本研究给出了一种不同情况下确定矿山结构应选择何种尺寸构件的方法。

(二)未来研究进步方向

这种数值模拟没有考虑某些限制条件。由于简化了模型，在试验中没有考虑不同边界条件的影响。没有考虑施加在柱顶部的荷载，这可能对测试结果有重要影响。这种数值模拟需要实际的实验来证明模拟的结果。冲击点仅选在柱跨中;应测试不同的冲击点以估计实际情况。这些都是需要在今后的研究中需要进一步完善改进的地方。