引用格式：
Zheng L, Li FQ, Wang WD. A honeycomb panel-based protective device for steel parking structure against transverse impact. Journal of Constructional Steel Research, 2023, 211: 108203.
Highlights:
1.
A honeycomb panel-based (HP) protective device for steel parking structures is
proposed.
2. A simplified multi-scale simulation considering reasonable material and boundary is employed.
3. A vertical residual resistance of substructure after transverse impact is innovatively simulated.
4. The HP protective device with a reasonable design can present a noticeable protective effect.
论文信息：
论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0143974X23004303?via%3Dihub
DOI: 10.1016/j.jcsr.2023.108203
一、研究背景
随着城市基础设施的快速发展和汽车保有量的显著增加，汽车撞击建筑物的概率不断增加。据统计，美国此类事故的发生频率为每天60余次，典型事故如图1所示。与住宅和其他公共建筑的柱子相比，城市停车结构（如图2a所示）的柱子发生车辆碰撞的风险更高，严重时还可能发生连续性倒塌。为减小此类事故对停车结构造成的潜在威胁，本文提出一种基于蜂窝吸能板（HP）的防护装置，初步探索了其对停车结构防撞性能的提升作用。
图1 汽车撞击停车结构典型事故
二、数值建模策略
采用简化多尺度模拟方法（详见：简化多尺度模型在组合框架连续倒塌研究中的应用；基于简化多尺度模型的钢管混凝土空间框架抗连续倒塌性能研究）对停车结构防撞性能进行建模，选取空间钢框架子结构作为研究对象，对撞击直接影响区的钢柱进行精细化实体单元建模，其他区域采用简化的梁单元建模，并基于线性连接单元设置合理的边界条件。撞击体采用简化的汽车保险杠模型，蜂窝吸能板放置在保险杠和钢柱之间。设定撞击质量为1.66t（参考NHTSA测试，选取丰田凯美瑞汽车参数进行模拟；后续可采用质量更大的电动汽车模型），撞击速度为10、20、30km/h，拟定蜂窝吸能板（HP防护装置）的吸能效率分别为30%、20%、10%进行尺寸设计。模型信息如图2所示。
图2 停车结构防撞性能简化多尺度模型
三、有无HP防护装置效果对比
图3给出了有无蜂窝吸能板的停车结构柱变形模式对比。不难看出，HP防护装置对停车结构的防撞效果提升明显：车速为10 km/h时，撞击后柱几乎无损伤；车速为20 km/h时，HP防护装置削弱了结构柱的变形和破坏；车速为30 km/h时，HP防护装置防止了柱的断裂。
图3 有无HP防护装置的停车结构柱变形模式对比
如图4所示，HP防护装置对冲击力和侧向位移时程曲线的影响显著。当冲击时间小于10 ms时，原型结构出现1-2个曲线波峰，考虑HP防护装置后则无此现象。并且，HP防护装置降低最大冲击力1.2-34.4%，降低撞击点的侧向位移36.1%以上。
通过图5可以看出，与原型结构相比，安装HP装置后框架内能分别减少了79.7%、42.2%、22.4%。另外，有无HP防护装置的框架内能之比随着速度的增加而降低，这意味着HP防护装置能更有效地抵御低速撞击。
图4 冲击力和侧向位移时程曲线
图5 内能时程曲线
在受到不同车速车辆撞击后，停车结构柱将受到不同程度的损坏，且随着初始损伤的加重，结构连续倒塌风险也随之增加。如图2b所示，为评估车辆撞击后停车结构的倒塌风险，采用经典的连续倒塌工况（C2柱顶施加竖向荷载）进行加载。柱的剩余竖向承载力-位移曲线如图6所示，将拆柱和不拆柱工况下的子结构竖向抗力也记录于图中。随着冲击速度的增大，柱的剩余竖向承载力减小，停车结构倒塌风险增大。安装HP防护装置后，冲击后结构柱的剩余竖向承载力分别提高了36.3%、69.6%、197.8%。有趣的是，随着冲击速度的增加，尽管HP防护装置对柱的侧向位移和吸能比的贡献降低，但对降低结构倒塌风险更加有效。
图6 连续倒塌工况下柱的剩余竖向承载力
四、HP防护装置参数分析
本节讨论了HP防护装置关键参数对停车结构防撞性能的影响，包括蜂窝单元厚度与边长之比t/l、HP防护装置的厚度t和长度l、蜂窝类型，对比的关键性能指标包括最大侧向位移、峰值冲击力、HP防护装置内能和倒塌工况下柱最大剩余竖向承载力。下面以蜂窝类型为例进行展示：
如图7所示，对比了六边形、方形、圆形、凹六边形和三角形5种蜂窝类型，选取相同的相对密度进行变量控制。对比结果如图8所示，不难发现，当冲击速度为10 km/h时，其他四种蜂窝性能略高于六边形蜂窝。当冲击速度大于10 km/h时，方形蜂窝的性能与六边形相差不超过15%；而圆形、凹六边形和三角形蜂窝的性能均低于六边形蜂窝。综上，六边形蜂窝防护装置的综合性能最优。
图7 不同蜂窝类型
图8 不同蜂窝类型的性能指标
五、结论
Conclusions
1
蜂窝吸能板（HP）防护装置对停车结构具有显著的防护作用，特别是防止了30 km/h冲击速度下钢柱的断裂。
2
在冲击速度为10-30 km/h时，HP防护装置使峰值冲击力降低1.2-34.4%，侧向位移降低36.1-80.3%，框架内能降低22.4-79.7%。
3
随着冲击速度的增加，停车结构连续倒塌风险增大。HP防护装置使停车结构柱在撞击后的剩余竖向承载力提高36.3-197.8%。
4
参数分析发现，合理的蜂窝板尺寸对HP防护装置的吸能效果和防护能力至关重要。与其他蜂窝类型相比，六边形蜂窝综合防护性能最优。
六、相关文献
作者简介
郑龙：男，辽宁人，讲师。主要从事钢与混凝土组合结构抗连续倒塌性能及抗冲击性能研究。
2016.09-2019.06，兰州理工大学土木工程学院结构工程专业，硕士研究生（导师：王文达教授、史艳莉教授）
李富奇：男，江西人，硕士研究生。主要从事新型吸能结构研究。
2022.09-，兰州理工大学土木工程学院结构工程专业，硕士研究生（导师：王文达教授、郑龙）
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Part.9
新型高性能结构材料
[1].Gao Fang-Fang, Tian Wei, Wang Wen-Da*. Residual impact resistance behavior of concrete containing carbon nanotubes after exposure to high temperatures. Construction and Building Materials, 2023, 366: 130183.
Part.10
新型吸能结构
[1].Zheng Long, Li Fu-Qi, Wang Wen-Da*. A honeycomb panel-based protective device for steel parking structure against transverse impact. Journal of Constructional Steel Research, 2023, 211: 108203.
编辑：郑 龙
审核：王文达
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王文达课题组
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兰州理工大学土木工程学院王文达课题组
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