李其廉 张媛媛 潘政华 敦彦茹 杨宇 崔卿源
摘 要：為了研究框架柱在冲击荷载作用下的抗撞击性能，基于非线性有限元软件LS-DYNA建立了精细化车辆-框架柱碰撞模型。首先，根据轴压承载力相同的原则设计2类框架柱：钢骨混凝土（SRC）柱和钢管混凝土（CFST）柱；
其次，对轴压比、撞击角度、撞击速度和车型等影响方形框架柱抗撞击性能有关因素进行参数化分析，探讨框架柱在汽车撞击下的塑性损伤以及破坏模式；
最后，比较SRC柱和CFST柱的抗撞击性。结果表明，SRC柱在柱顶受到斜向剪切破坏，在柱底受到弯剪破坏，而CFST柱的破坏模式是弯曲破坏。在车辆侧向撞击下，角度为15°撞击SRC柱时更危险，而CFST柱在正面撞击时更危险。车辆速度和车辆质量的增大，使得框架柱受到的碰撞损伤增大。CFST柱的抗撞击性能优于SRC柱。研究结果证明SRC柱和CFST柱具有优越的抗撞击性能，可为国家相关标准的修订提供参考。
关键词：高速碰撞动力学；
钢骨混凝土柱；
钢管混凝土柱；
车辆撞击；
动力响应
中图分类号：TU311 文献标识码：A DOI：
10.7535/hbgykj.2023yx03005
Dynamic response analysis of SRC and CFST square
columns under vehicle impact
LI Qilian ZHANG Yuanyuan PAN Zhenghua DUN Yanru YANG Yu CUI Qingyuan
（1.School of Civil Engineering，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang， Hebei， 050018， China; 2.Ju′nan County Housing and Urban-Rural Development Bureau， Linyi，Shandong 276000， China; 3.Hebei Institute of Building Science Company Limited， Shijiazhuang， Hebei 050000， China; 4.China National Chemical Communications Construction Group Company Limited， Ji′nan， Shandong 250000， China）
Abstract：In order to study the impact resistance of frame column under impact load，a refined vehicle-frame column collision model was established based on the nonlinear finite element software LS-DYNA. Firstly， two types of frame columns were designed according to the principle of the same axial compression bearing capacity：
steel reinforced concrete column and concrete filled steel tube column; Secondly， the factors affecting the impact resistance of square column frame column， such as axial compression ratio， impact angle， impact velocity and vehicle type， were analyzed by parameterization， and the plastic damage and failure mode of frame column under vehicle impact were discussed; Finally， the impact resistance of SRC column and CFST column was compared.The results show that the SRC column is subjected to oblique shear failure at the top and flexural shear failure at the bottom， while the CFST column is subjected to flexural failure.Under the lateral impact of vehicle， it is more dangerous to impact the SRC column at the angle of 15°， while it is more dangerous for the CFST column to get the front impact. With the increase of vehicle speed and vehicle mass， the impact damage of frame column increases. The impact resistance of CFST column is better than that of SRC column. The results show that SRC column and CFST column have superior impact resistance， which can provide reference for the revision of relevant national standards.
Keywords：high speed collision dynamics; SRC column;CFST column; vehicle impact; dynamic response
近年来，车辆与建（构）筑物的碰撞事故频繁发生，造成了相当大的财产损失和人员伤亡，因此，有必要对车辆撞击结构物的动力响应进行深入研究。在现实生活中，建筑物底层立柱、桥梁立柱、护栏、交通信号结构和电杆是最容易受到车辆撞击的结构构件[1]。钢管混凝土（concrete filled steel tube，CFST）柱易于施工且具有优越的结构性能，常被用作高层建筑与高耸结构的主要受力构件。从结构工程的角度看，核心混凝土和周围钢管的联合作用提供了比传统钢筋混凝土柱更高的承载能力，核心混凝土还可以避免或者延缓外钢管过早发生局部屈曲[2-3]。
JTGD 60—2015《公路桥涵设计通用规范》均将撞击力峰值最大设为1 000 kN[4]。但在车辆碰撞过程中，结构构件的损坏与许多因素有关，对撞击的动态反应随着不同的撞击参数（如：车辆速度、撞击角度）和不同的车辆类型（车辆质量）而变化。
在发生碰撞的情况下，碰撞产生的冲击力会导致框架结构柱承载力的急剧下降，在极端情况下，这可能破坏框架柱，甚至导致整个建筑物的倒塌。有许多关于车辆碰撞对传统钢筋混凝土（rein forced concrete，RC）柱和钢骨混凝土（steel reinforced concrete，SRC）柱脆弱性的研究，杜彬[5]对撞击速度、撞击角度、柱截面惯性矩以及汽车载重等因素对RC柱与汽车碰撞下的动力响应的影响进行研究，SHARMA等[6]基于性能分析和設计，对车辆撞击RC柱进行动态分析，定义了3种损伤性能水平，预测了RC柱的动态剪力能力。朱翔等[7-8]对比了SRC柱和RC柱的抗冲击性能，发现轴压比增大会削弱SRC柱的抗冲击性能。张东杰[9]分析了影响SRC柱抗冲击性能的参数，评价了SRC柱的抗冲击性，并提出抗冲击承载力放大系数公式。
王蕊等[10]研究了简支梁的动力响应，结果表明，钢管的径厚比对吸能能力有较大影响。SHAN等[11]使用气枪对CFST柱进行了轴向冲击试验，发现其在冲击载荷下轴向强度有所提高。XIAO等[12]通过落锤试验检验了CFST柱的轴向承载力，发现失效模式与初始冲击能量相关。除了轴向试验之外，学者们还研究了CFST柱在横向冲击载荷作用下的性能。EL-TAWIL等[1]对2个精细的桥梁结构和车辆模型进行数值模拟，研究了桥柱上的卡车碰撞，发现等效静态力（ESF）与撞击速度成线性关系。已有研究主要集中于框架结构柱的动力响应分析，而对框架结构柱在抗撞击性能和破坏机理的研究较少。
本文采用LS-DYNA软件对SRC柱和CFST柱进行有限元模型可靠性模拟验证，分析不同的轴压比、车辆撞击角度、车辆撞击速度和车辆类型对框架柱抗撞击性能的影响，以期量化SRC柱和CFST柱的抗撞击优越性能。
1 有限元模型
1.1 车辆与柱耦合模型
由于框架结构中柱子的截面形状一般为方形，故本文选择方形截面的柱子作为模拟对象，模拟结论只适用于方形截面柱。
为了进行碰撞模拟，本文采用LS-DYNA有限元软件建立模型，并选用美国国家公路交通安全管理局国家碰撞分析中心（NCAC）开发的车辆模型中的3个公开可用的车辆有限元模型[13-14]，研究框架结构柱的抗撞击性能。结合国内车辆类型状况和美国汽车制造协会的卡车分类标准[15]，选用了3类代表性车型进行研究：Metro代表微型轿车、Pike-up代表轻型卡车、Ford代表中型货车。
1.2 材料模型
1.2.1 混凝土
1.2.2 钢筋和钢材
1.3 碰撞接触与沙漏设置
钢管和混凝土、车辆与框架柱之间均选用LS-DYNA软件中的CONTACT_AUTOMATIC_SURFACETO_SURACE作为接触边界条件。依据参考文献[18]以及试验结果，本文将动、静摩擦系数分别取值0.6和0.5。黏性接触阻尼VDC设为20，可以有效地减小因车辆与柱之间刚度差异大而产生的接触噪声。
LS-DYNA使用单点高斯积分的单元可以节省计算时间，但是，由于积分点不足导致单元刚度矩阵中秩不足，会使某些单元出现节点位移不为零、但应力和应变为零的状态，这种非物理变形的零能模式叫做沙漏模式[18]。本文模拟使用4号沙漏，沙漏系数设为0.05。
1.4 模型验证
由于成本昂贵，很难开展相关的物理试验，本文参照文献[19]和文献[20]来验证车辆碰撞中各个模型的有效性。钢筋和混凝土材料本构如1.2节所述，图3为文献[20]中模拟中的裂缝垂直于梁的正截面向外延伸向上形成斜裂缝，与试验损伤走向一致。图4为文献[21]的损伤对比图。
图5 a）—图5 b）为文献[20]落锤撞击力时程曲线和位移时程曲线对比图，
图5 c）—图5 d）为钢管混凝土撞击力时程曲线和位移时程曲线对比图。结果表明模拟构件的塑性损伤、破坏模式以及撞击力时程都与试验吻合较好。
2 框架柱的设计参数
本文分析的框架柱为3跨×5跨的3层带楼板框架的底层柱。遵循柱的轴压承载力相同的原则，按照规范[22]设计柱：CFST柱（400 mm×400 mm，t=8 mm），SRC柱（400 mm×400 mm，H型钢200 mm×200 mm×8 mm×12 mm）。钢筋使用HRB400，混凝土强度为C30，柱净高4.2 m，钢材使用Q345。全部采用分离式建模方式，并且忽略钢筋、型钢、混凝土之间的黏结滑移效应。为了更好地模拟柱子的边界条件，在柱子上下两端增加了柱头
和柱脚。钢管使用SHEEL163单元，核心混凝土、工字型钢选用SOLID164单元，钢筋采用BEAM161单元，考虑到计算精度和计算时间，网格尺寸控制在25 mm。
分析参数如表3所示，其中每种柱的工况有16种。考虑轴力作用，首先进行轴压比设计，本文使用动力松弛法，待轴力施加到结构上稳定后再进行碰撞冲击计算。
3 框架柱的变形模式
图6为框架柱重力加载阶段的有效应变图，图7给出了在汽车撞击速度为80 km/h时，SRC柱和CFST柱的变形模式。由图7可知：不同汽车撞击下2种柱的损伤模式不同。SRC柱在微型轿车撞击作用下，由于汽车质量较小，撞击力所产生的弯曲也较小，因此SRC柱的破坏模式表现为混凝
土的局部受压破坏；
轻型卡車撞击柱时，汽车吨位增加，撞击力明显增大，柱顶发生明显的斜剪破坏，柱底则发生弯剪破坏；
中型货车撞击柱时，汽车的撞击力增大，在碰撞的瞬间柱子的弯曲变形发展很快，剪应力很快成为破坏应力，其中，混凝土表现为严重的剥落和以明显弯曲为主的弯剪破坏。
如图7 b）所示，由于只有在CFST柱碰撞处的少量混凝土受到了撞击破坏，柱的水平方向裂缝几乎没有发展，混凝土没有出现剥落的现象。在微型轿车撞击时CFST柱损伤极小，在轻型卡车和中型货车的撞击下，水平方向裂缝几乎没有发展，柱的整体破坏模式为混凝土受压破坏，柱整体表现为弯曲变形。
通过对比发现，CFST柱的抗弯刚度比SRC柱高得多，混凝土的剥落导致了SRC柱的刚度被削弱，说明这是影响柱耐撞性的关键因素，钢管约束住混凝土的剥落使得CFST柱更具有耐撞性。CFST柱在车辆冲击力下具有优越的性能。
4 参数分析
4.1 轴压比
不同轴压比下的SRC柱和CFST柱在汽车撞击下的抗撞击性能如图8所示，图8 a）为2种柱在不同轴压比时的撞击力时程曲线，撞击力峰值（PDF）和撞击力持时（Δt）是撞击力时程曲线的2个重要指标。SRC柱的轴压比从0.10增加到0.45，对应的PDF则从3.14 MN增加到3.44 MN，幅值变化1.09倍，Δt均为0.273 1 s。CFST柱对应的PDF从6.51 MN变为6.50 MN，Δt均为0.273 4 s。2种柱的PDF和Δt几乎保持不变，这说明轴压比的变化对汽车PDF的影响不大。图8 b）为2种柱的水平位移曲线。可以看出，SRC柱中，水平位移随着轴压比的增大先减小，然后增大，钢筋混凝土受压构件的M-N相关曲线显示，当轴向荷载N达到一定值时M可以达到最大值，这时轴力增大或者减小都会降低构件的抗弯承载力M。当轴压比为0～0.3时，由于M-N曲线效应，H型钢和混凝土的抗撞击能力随着轴压比的增加而增加；
随着轴压比的持续增加，混凝土丧失承载力，整体的抗撞击性能下降，造成水平位移进一步增加。CFST柱的水平位移随着轴压比的增大而减小，由于外钢管的约束作用提高了核心混凝土的强度，随着轴压比的增加，钢管的约束作用变得更强，抗撞击性也随之提高。
4.2 撞击角度
中型货车分别以0°，15°，30°和45°撞击框架柱。图9显示了SRC柱和CFST柱在不同撞击角度时的抗撞击性能曲线。
由图9 a）可知，对SRC柱的撞击角度从0°逐渐增加到45°，撞击力从3.14 MN降为2.11 MN，随着撞击角度的增大PDF随之减小，撞击力持时Δt分别为273.1，274.8，276.2，276.6 ms，同样表现为逐渐增大。而由图9 b）可知，CFST柱的PDF也由5.38 MN降为3.77 MN，Δt分别为273.4，275.2，276.6，277.2 ms，可以看出，CFST柱在不同撞击角度时，PDF和Δt的变化趋势与SRC柱相同，说明撞击力峰值在正面撞击时最大。
由图9 c）可知，正面撞击时SRC柱的最大位移为116.0 mm，在15°，30°和45°撞击角度下的最大位移达到120.0，108.2，88.6 mm，在15°撞击时损伤最严重。而CFST柱相对应的位移分别为15.2，10.4，6.7，5.09 mm，最大位移是逐渐减小的。这说明在正面撞击时，汽车为一个单向动力荷载，撞击角度的改变伴随着双向冲击和扭矩作用的发生，钢骨混凝土柱表面的混凝土棱角更容易被撞碎，导致被撞处提前失效，而钢管混凝土柱由于混凝土被钢管包裹，只有在撞击处的部分混凝土失去承载力，因此，在汽车侧向撞击时，柱的抗撞击性能更好。综上所述，钢骨混凝土柱在15°撞击时的抗撞击性能更差，而钢管混凝土柱在正面撞击时抗撞击性能更差。
4.3 车辆类型
由图10 a）可知，不同车型的内部构造和质量均不同，分别用Metro，Pike-up，Ford 3种车型以80 km/h撞击，SRC柱的撞击力峰值分别为2.00，2.68，3.14 MN，幅值增加1.17倍；
CFST柱的PDF从0.722 MN增加到5.38 MN，幅值增加了6.45倍。Δt也随着车质量的增大（从0.95 t增加到8.3 t）而增加，这主要是因为车质量的增大导致了撞击冲量的增大，从而撞击力峰值也增大。
图10 b）所示为不同车型的撞击对SRC柱和CFST柱水平位移的影响。可以看出，框架柱的位移随着撞击速度的增大而逐渐增加，SRC柱在Metro，Pike-up，Ford 3种车型的撞击下，最大水平位移分别为3.21，19.00，95.70 mm。而CFST柱的最大水平位移分别为1.04，8.58，16.40 mm，2种柱的最大水平位移相差4.83倍，这说明CFST柱的抗撞击性能远大于SRC柱。
4.4 撞击速度
图11显示了SRC柱和CFST柱在不同撞击速度下的撞击性能。图11 a）中的撞击力时程曲线显示，框架柱的撞击力随着速度的增加而增加。Ford以30 km/h撞击SRC柱时，PDF为0.98 MN，最大水平位移为8.38 mm，Δt为227.0 ms；
车速为50 km/h时，PDF为1.63 MN，最大水平位移为22.4 mm，Δt为252.0 ms；
车速为60 km/h时，PDF为1.88 MN，最大水平位移为36.6 mm，Δt为263.7 ms；
车速为80 km/h时，PDF为3.14 MN，最大水平位移为95.7 mm，Δt时为273.1 ms；
速度增大到90 km/h时，PDF增大到了4.44 MN，最大水平位移为289 mm，Δt为276.2 ms。
可以看出，随着撞击速度的增大，Δt逐渐增大，峰值持时逐渐减小，这主要是因为车速越大，车头保险杠在撞击时被挤压变形的速度也越快。
随着车速从30 km/h增加到90 km/h，CFST柱PDF也从0.96 MN增大到6.30 MN，幅值增大了5.56倍。这主要是由撞击冲量的提高所致。如图11 b）所示，在Ford不同速度的撞击下，CFST柱的水平位移分别为0.532，1.34，3.48，16.40，125.00 mm，Δt也从229.0 ms增加到276.5 ms。这说明车速越高，框架柱就需要更大的变形来吸收撞击能量，柱的水平位移也随之增大，因此受到的碰撞损伤就越大。综上所述，CFST柱的耐撞性更好。
5 規范对比
本文将不同的轴压比、撞击角度、撞击速度和车辆类型条件下，车辆对SRC柱和CFST柱的PDF进行汇总，列于表4和表5。
JTGD 60—2015《公路桥涵设计通用规范》［4］中均将撞击力峰值最大设为1 MN，与表4和表5对比可知，只有在低速30 km/h撞击SRC柱和CFST柱时PDF低于1 MN，其余的PDF均远远超过了规范设置的撞击力峰值的限值，这说明规范的限值是偏于保守的。
6 结 语
本文利用数值模拟研究了钢骨混凝土（SRC）柱和钢管混凝土（CFST）柱在汽车撞击下的动力响应，结论如下。
1）不同车型撞击框架柱的损伤模式不同。在中型货车撞击SRC柱时，混凝土柱顶发生斜剪破坏，柱底发生弯剪破坏；
CFST柱在微型轿车撞击下基本没有受到破坏，在轻型卡车和中型货车的撞击下，主要的破坏模式为压弯破坏和剪切破坏。车辆速度越高、车辆质量越大，框架柱的碰撞损伤越大。
2）轴向荷载的施加在一定范围内能够提高框架柱在汽车横向撞击下的抗撞击力，但超过一定轴压比后会加快框架柱的动力响应而加大损伤破坏。由于M-N曲线效应，随着轴压比的增大，SRC柱受撞击后的水平位移先减小后增大，CFST柱受撞击后的水平位移随着轴向荷载的增大而减小。
3）在侧向撞击下，SRC柱受到15°撞击时更危险，而钢管混凝土受到正面撞击时更危险。在车辆撞击下SRC柱的损伤较大，CFST柱的损伤较小，说明CFST柱的抗撞击性能优于SRC柱。
本文研究的局限性在于所选车辆类型和建筑结构形式不够丰富，下一步研究中可以对客运车、重型卡车、拖车等常见车型进行分析，并且也可以考虑对剪力墙结构和砌体结构等结构形式的抗撞击性能进行深入研究。另外，建立车辆撞击的损伤评估曲线和评估通用公式也是未来的研究内容。
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