单层柱面网壳冲击试验研究

方案与试验内容

试验在自行研制的试验装置上进行，冲击高度可达5 m，相应竖向冲击速度可达9.89 m/s，试验装如见图1所示。本次试验模型采用单层柱面三向网壳结构，所有杆件均用无缝钢管Φ10 mm×2 mm，其屈服强度为318 N/mm2，极限抗拉强度为410～550 N/mm2，伸长率为25%，弹性模量约为E=2.1×105 N/mm2，泊松比为0.3，杆件节点通过节点板焊接在一起。该单层柱面三向柱面网壳，跨度为1 500 mm，矢高为375 mm，纵向长度为2 000 mm，矢跨比为1/4。

冲击物通过自由落体运动，产生速度，竖直冲向置于模型壳顶的力传感器（应变式），力传感器和杆件产生随时间而变化的动应变。试验中通过改变落锤质量和下落高度的方式获取大小不同的冲击作用，模拟多种工况，并通过应变仪测得质量块对网壳冲击作用的力、杆件应变和关键节点位移、加速度时程曲线，并观察相应的柱面网壳结构变形和破坏状态。在试验操作平台处，通过突然释放，实现冲击加载，冲击完毕后，由拉索自锁，以避免冲击物对网壳结构二次冲击加载。

图2为应变片和传感器的粘贴位置，应变片采用全桥接法，在模型杆件中部上下两面粘贴两处应变片，并外设两片补偿片，以测得杆件的轴向力时程曲线，传感器分为加速度传感器和位移传感器。为了后文叙述方面，杆件编号等同应变片编号，A～F测点为位移传感器和加速度传感器布置位置，因位移传感器形状较大，为保护其免受冲击损伤，冲击试验时，对应冲击测点处的位移传感器拆除，仅保留加速度传感器。

试验主要对柱面网壳模型进行弹性冲击试验和动力失稳冲击试验，弹性试验主要目的是探求单层柱面网壳受冲击后的动力响应规律，探求引起动力响应的最易冲击点，动力失稳试验主要是研究柱面网壳结构的失效模式和破坏形态。本次试验共进行11个工况的冲击试验，工况1～9进行弹性冲击试验，分别在A，B，C三个冲击点，以不同的高度分别进行；工况10～11进行动力失稳冲击试验，在B冲击点，以1.8 m和5 m的高度分别进行冲击试验，具体实验方案如表1所示。

2 试验结果[*2]2.1 冲击力时程曲线 试验记录了各工况的冲击力时程曲线，各工况撞击力的特征参数如表1所示，Fi，max为冲击力最大值，ti，max为冲击力最大作用时刻值，td为冲击力持续时间。弹性失稳前工况1、失稳时大变形阶段的工况10典型冲击力时程曲线见图3所示。试验时工况1～10均测试了应变、位移和加速度数据，工况11为了保护位移传感器，拆除了位移传感器，仅测试了应变和位移数据。

从图3可以看出，冲击荷载持续的时间非常短暂，当冲击作用较小时，模型杆件处于弹性工作状态，整个结构处于小变形状况下，此时的冲击接触时间约为15～30 ms。例如工况1冲击力荷载形态为图3（a）所示曲线，冲击力荷载形态呈陡峭的三角脉冲状，落锤明显；随着冲击荷载的增大，冲击力持续时间逐渐增长，但增大幅度不大，直到冲击作用继续加大到20 kg时，冲击荷载持续时间有所增长，约为35～40 ms，例如工况10冲击力荷载形态为图3（b）所示曲线，其特征为很短时间内达到峰值，之后存在一个冲击力峰值逐渐衰减直至为零的过程，冲击力三角脉冲宽度比工况稍有增加。

2.2 应力时程曲线

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