預加軸力作用下缺陷鋼柱受橫向沖擊時的能量吸收

張亞東

(山東海龍建筑科技有限公司，山東 濟寧 272000)

隨著人類科技的進步與社會發展，每個國家均對個人和公共設施有了更高安全要求.自20世紀以來，多國專家學者加強了對于發生碰撞時的動能耗能與能量進行了大量的開發與研究.從土木工程的結構領域分析，在建筑物使用過程中，除遭受自重、地震和風荷載等作用外，它還承受諸如撞擊和爆炸之類的意外載荷的影響.

在初始狀態下由于多種物質中含有大量能量，且由于某種原因，當物質的初始狀態突然改變時，大量能量會瞬間迅速釋放.爆炸發生時，迅速以波的形式蔓延到周圍環境，對周圍的介質造成嚴重破壞[1].當這些意外載荷發生時，對于此結構的能量吸收問題研究非常重要.與此同時，在實際中，此結構不可避免地具有不同類型的缺陷，且當受到諸如沖擊或爆炸的載荷時，這些結構的能量吸收和結構坍塌更加復雜[2].而在進行沖擊載荷時，存在如應變強化效應、應變率效應和大變形模式之間的相互作用相互影響[3].大多數的試驗所用能量吸收材料為韌性金屬，其能量吸收的元件應選質量輕，能量吸收率高的材料，所以使用最多的當屬低碳鋼.

在實際結構中，結構的缺陷(構件側的凹痕與波紋)在碰撞時起到能量吸收的作用.增強的能量吸收可使得有限區域內的裂縫逐漸失效.從根本上來說，這些缺陷降低了局部的結構剛性，以至于它可以更容易地坍塌或屈曲.

Tadaharu[4]和Azharis[5]研究了柱在靜態軸力作用下，受到橫向沖擊時相對于結構能量吸收的屈曲行為，以及在橫向沖擊下靜態柱屈曲產生條件和在后屈曲行為下的橫向沖擊力影響.CHEN F L 等[6]通過小變形理想剛塑性分析理論對速率不敏感材料使用最簡單有效的模擬和預測.

王瀟宇等[7]研究了沖擊速度、沖擊質量、沖擊能量以及柱端約束等關鍵因素對構件側向沖擊動力響應的影響.趙唯以等[8]進一步探討了軸力和沖擊能量對構件抗沖擊性能的影響.Sabuwala[9]提出將發生碰撞時的安全作為車輛設計和結構設計的一個主要特征.

其他學者已經對于通過施加軸向沖擊來產生的鋼柱屈曲問題和通過施加橫向沖擊來產生的梁彎曲問題做了一些研究，其描述的均是結構的(同時進行靜態的軸向力施加)橫向沖擊問題.然而，這些研究所用的試件并不是存在缺陷的[10]，且均無在預加靜態軸向力的施加下對于鋼柱的橫向沖擊研究，特別是關于能量吸收熱點問題并無涉及.在此項研究中，實驗模型是在鋼柱的頂端預加靜態軸向力，同時對試件進行橫向沖擊，并從能量吸收的角度做出評價與分析.

1 實驗

1.1 實驗儀器

圖1 試驗原理

試驗原理如圖1 所示.實驗中所有試件均受 到預加軸向載荷P，其主要區別在于試件的缺陷類型，且試件的剛度因不同類型的缺陷而降低.當落錘碰撞到試件時，落錘的橫向沖擊力F(t)施加到試件跨中截面，由于存在缺陷，結構更易發生垮塌，同時缺陷的存在增加了結構吸收沖擊能量的能力.

如圖2 和圖3 所示，當設置試驗裝置時，通過千斤頂和彈簧的配合將軸向載荷預先施加到試件的一端.在試驗進行時，橫向沖擊由落錘自由落體，對試件發出沖擊.其中落錘的沖擊頭為圓形，由質量22.6 kg 的鋼材料制成.

螺栓將整個固定端與下部剛性底座連接.通過預先啟動的位移傳感器可得到試件頂端的軸向位移u(t)；橫向沖擊載荷F(t)是由加速度傳感器所測出來，加速度傳感器的吸頭通過電磁鐵同落錘吸在一起，在落錘與試件接觸時可測出其加速度的變化a(t)；試件內部的軸向力由壓力傳感器采 集并由動態采集儀器進行處理.通過高速攝像機拍攝試件的整個受沖擊過程，并傳遞相關信息至計算機控制端進行后處理分析.

圖2 試驗現場布置

圖3 試驗裝置

1.2 實驗試件

試件為Q235 鋼制作，其總長度為960 mm，其中有效長度800 mm、寬30 mm 和厚3 mm.試件的一端通過固定夾具夾緊；另一端通過千斤頂和彈簧的配合對試件施加軸向荷載.固定試件夾具再通過螺栓與底座連接，最終通過地錨桿連接在地面上.

對不同缺陷類型(如圖4 所示)的試件進行比較實驗，通過控制變量法對不同高度的落錘進行自由落體的沖擊實驗，產生不同的沖擊速度，并由此分析試件的能量吸收和變形程度.

2 實驗結果

圖4 不同缺陷類型的試驗試件規格

通過研究由落錘的橫向沖擊所造成的在靜態軸向力下的試件垮塌行為.靜態軸向負荷固定為 990 N，橫向沖擊點固定在試件中點.落錘高度分別為0.35，0.38，0.55 和1.21 m，導致的沖擊速度分別為2.61，2.73，3.27 和4.87 m/s.落錘高度相同時，在試件頂端施加相同的軸力P=990 N，從落錘接觸試件開始，不同缺陷類型鋼柱的加速度隨時間的變化曲線如圖5 所示.

圖5 不同缺陷類型鋼柱的加速度-時間曲線

由圖5 可知，其加速度最大值與其軸向位移存在不同的趨勢.圖5(a)中，缺陷類型為0，2 和4 時，最大加速度分別為834.5，797.5 和449.2 m/s2(0＞2＞4)；圖5(b)中，缺陷類型為1 和2 時，最大加速度分別為512.8 和128.9 m/s2(1＞2)；圖5(c)中，缺陷類型為1，0，3 和4 時，最大加速度分別為448.9，247.4，215.5 和206.3 m/s2(1＞0＞3＞4)；圖5(d)中，缺陷類型為3，2 和4 時，其最大加速度分別為834.5，797.5 和449.2 m/s2(3＞2＞4).

綜上所述，通過控制變量，可得出相同條件下(高度相同)的試件加速度大小的依次順序：4＜2＜3＜0＜1.

橫向沖擊荷載F可通過試驗中加速度a求得

通過參考文獻[1-2]可知，施加在試件的軸向荷載相同(P=990 N)時，試件被吸收的能量Eab(被定義為受橫向沖擊所失去的作用)可通過

求得.其中，F和u分別是橫向沖擊荷載和軸向位移.

能量吸收值也可作為求解F-u曲線的包絡圖，即通過公式(1)和(2)可得出，不同缺陷類型的試件吸收能量能力大小順序為：4＜2＜3＜0＜1.

圖6 不同缺陷類型試件的吸收能量

3 討論

從上述試驗數據和分析可以得出，實驗所測量得出的加速度主要由沖擊力F的大小所控制，因此沖擊力可控制試件的能量吸收能力，而缺陷的存在顯著提高了能量的吸收.在試件受到橫向沖擊時，存在缺陷的試件會明顯降低其剛度并使其更易發生能量吸收.通過對試驗完成后的試件進行觀察可知，除試件的端部夾點外，塑性鉸產生位置為試件受到沖擊處附近約50 mm處.試驗后試件的形狀為典型的動態屈曲模式，其并不是完全垂直對稱的，這與靜態屈曲模式不同.從分析中可以看出，橫向沖擊造成的對稱屈曲模式，中間塑性鉸位置與橫向沖擊位置不一致.與鋼柱的靜態軸向載荷下的橫向沖擊的屈曲行為相似.

從分析中還可以看出，沖擊過程中所產生的沖擊波攜帶的能量總是從密集程度大的位置移動到密度較小的位置.由于能量的互相傳遞主要是以波的形式進行，因此波的形成與擾動是不可分離的.在諸如拱、梁、板和殼體結構中，其3 個尺寸(長度、寬度、高度)中的1 個或2 個，遠小于其他尺寸時，突發荷載作用往往就是在尺寸最小的那個方向上.此時，波在該方向上的傳播所需時間比其荷載作用時間短得多.

通過這種增加缺陷的方法可有效地增加能量吸收能力，存在缺陷的試件比完好的試件具有更低的屈曲與破壞載荷.由于其靜態特性完全取決于試件的形狀，因此選取沖擊試驗的試件結構特征與完好試樣的結構特征完全相同.

上述研究有效利用了沖擊所釋放的能量來完成對預定目標的攻擊性和破壞性任務.

落錘在一定高度時，在試件頂端施加相同軸力P=990 N 條件下，通過落錘接觸試件前后的高速相機照片匯總，如圖7 所示.由此可以驗證不同缺陷類型的試件吸收能量的能力是正確的.不同缺陷類型試件的吸收能量的能力大小順序依次為：4＜2＜3＜0＜1.

圖7 高速相機下的試件變形(時間間隔30 ms)

4 結論

為了比較不同缺陷類型試件的能量吸收，實驗研究了鋼柱在軸向載荷下能量吸收的橫向沖擊效應.試驗發現：缺陷優選存在于沖擊點附近，并且是穿過試樣的橫向槽(例如缺陷1和3)的試件可以得到更高的能量吸收；貫穿整個試件的橫向缺陷使試件具有最強的能量吸收能力；相同缺陷類型的試件存在缺陷的面積越大，能量吸收能力越強；缺陷越多，能量吸收能力越強.

從實驗結果可得出，通過添加缺陷可主動控制能量的吸收，但是降低了結構的剛度和強度.在大變形、應變強化效應、應變率效應和變形模式等相互作用時，用于吸收能量的結構材料應具有穩定且可重復的變形模式.可以預期，在未來的結構中，為獲得更高的安全性和穩定性，結構的高剛性將是非常重要的要求，同時也應使用其他方式來提高能量的吸收.