鋼管混凝土抗沖擊性能研究現狀及計算建議

王瀟宇 肖 巖 徐金俊

(1.湖南大學土木工程學院,長沙 410082; 2.南京工業大學土木工程學院,南京 211816)

0 引 言

鋼管混凝土(Concrete-filled Steel Tubes,CFST)結構具有承載能力高、塑性和韌性好、抗震性能優良、施工方便以及經濟性能良好等優點,目前已在高層及超高層建筑、大跨度橋梁、電力基礎設施等領域得到越來越廣泛的應用。這些工程結構多數為一個國家或地區的重大建設項目,且直接與生命線工程相關,一旦發生諸如倒塌、坍塌等破壞性事故,必將造成重大財產損失和威脅人民的生命安全,因此,防災減災事業任重而道遠。除地震、海嘯等自然災害外,撞擊和爆炸是由人為因素而引起的一類高頻災種,其破壞程度不亞于自然界施加于人造設施的破壞力,這些人為災害更需要引起科研工作者、工程設計人員、政府管理部門的重視。由于鋼管混凝土結構具有良好的力學性能,尤其是抗變形能力較強,這已引起有關學者對其抗沖擊性能方面的研究興趣,目前國內外對鋼管混凝土柱抗沖擊性能的研究越來越多,大致可分為抗軸向沖擊和抗側向沖擊兩類研究方向。為了將這些研究成果及時地展現給學界同行,本文系統地梳理了現今有關鋼管混凝土柱抗沖(撞)擊性能的試驗方法、試驗結果、數值技術以及理論模型,同時對未來鋼管混凝土柱抗沖擊性能的研究給出了相關建議。

1 軸向沖擊性能

1.1 研究現狀與分析

迄今為止,國內外對鋼管混凝土構件軸向抗沖擊性能方面的研究主要為快速加載試驗機加載試驗、霍普金森桿加載試驗、重力式落錘試驗機加載試驗,通過試驗研究揭示其在軸向沖擊荷載下的動態力學性能與破壞機理。

1) 快速加載機加載

采用快速加載試驗機進行沖擊加載試驗的特點在于易于控制加載過程,但加載速率較低,不適合用于研究在高應變率下構件的動力效應,適應于低應變率下的加載試驗。陳肇元等[1]利用快速加載試驗機對鋼管混凝土試件進行了快速加載試驗,應變率為60×10-3～ 75×10-3s-1,同時為方便對比,該課題組還進行了鋼管混凝土短柱的軸向靜力加載試驗以及混凝土材料和鋼材在快速變形下的強度試驗。研究結果表明:與靜力加載相比,快速加載下鋼管混凝土短柱的軸向受壓強度提高了約20%,其提高幅值與混凝土抗壓強度提高幅度17%和鋼材強度的提高幅度20%相當。Lahlou等[2]利用MTS試驗機對鋼管約束高強混凝土試件完成了快速軸向壓縮加載試驗,加載速率為3.6×10-3～ 6.5×10-3s-1,試驗發現隨著鋼管對混凝土約束程度的提高,鋼管混凝土的軸向動態抗壓強度增加明顯,同時延性也得到顯著提高。

2) 霍普金森桿加載

霍普金森桿裝置的優點是可以實現構件在高應變率下的沖擊加載試驗,并能較好地控制應變率,易于操作,試驗成本較低;但其缺陷也是十分明顯的,目前僅能對尺寸較小的構件進行加載,主要用于材料層面的沖擊力學性能測試。Xiao[3]采用霍普金森桿裝置對鋼管混凝土圓柱體試塊進行了沖擊加載試驗,并提出了鋼管混凝土動態增大系數(DIF)的簡化計算公式和動態約束系數的概念;基于試驗測試,得到鋼管混凝土圓柱體試塊的動態增大系數DIF與計算公式所得的DIF較為接近;同時,試驗結果還表明鋼管混凝土的動態約束系數與相應的靜態約束系數較為相近。Huo[4]對小尺寸鋼管混凝土試塊在經歷不同溫度場后進行了霍普金森桿沖擊試驗,探索了高溫后鋼管混凝土抗軸向沖擊荷載的性能,由此發現,隨著溫度的升高,鋼管混凝土的動態強度顯著降低。此后,何遠明等[5]進一步利用大尺寸的霍普金森桿裝置對高溫下鋼管混凝土試塊進行了軸向沖擊試驗,發現了鋼管混凝土試塊在沖擊荷載下高溫劣化作用明顯,溫度越高,鋼管混凝土試塊的極限強度越低;但動態增大系數DIF隨著溫度的升高先略有下降之后又呈現出增長的趨勢。

3) 落錘實驗機加載

重力式落錘試驗機加載是沖擊試驗最常用的方法,其優點在于直觀、原理簡單、易于控制、使用靈活、應用范圍廣泛等。國內外許多學者采用了落錘試驗機對鋼管混凝土進行了軸向沖擊試驗。

Prichard和Perry[6]對1.2 mm、3.0 mm、5.0 mm和6.3 mm四種不同壁厚的鋼管混凝土短柱進行了落錘沖擊試驗,采用了3.2 m/s、4.4 m/s、6.3 m/s三種速度,落錘重量為82.5 kg。試驗結果表明隨著鋼管壁厚的增大,沖擊力峰值略有增大;而同等壁厚下,沖擊速度的增大對沖擊力峰值的提升更為明顯。

Xiao和Shen[7]利用落錘試驗機對2 mm、4 mm兩種不同壁厚的鋼管混凝土柱進行了軸向沖擊試驗,并與約束鋼管混凝土短柱做了對比研究。試驗結果顯示:在相同沖擊荷載下,鋼管壁越厚沖擊力峰值越大,殘余變形越小,尤其是環向殘余變形減小得越明顯,可見鋼管對混凝土的環向約束效應明顯。

霍靜思等[8-9]對13根不同壁厚的鋼管混凝土短柱試件在經歷不同高溫后進行了落錘軸向沖擊試驗,研究了不同溫度和鋼管壁厚對鋼管混凝土軸向抗沖擊性能的影響,結果表明:經歷高溫后,鋼管壁較薄的試件斜向剪切破壞程度明顯;隨著溫度的升高,鋼管混凝土的動態增大系數DIF呈現出先增大后減小的趨勢,但總體比常溫下的動態增大系數DIF有所提高;隨著壁厚的增加,鋼管混凝土的軸向殘余變形顯著減小。

鋼管混凝土軸向沖擊試驗匯總情況見表1,表中各試驗的試件截面類型均為圓形截面,暫時未發現其他類型的截面的試驗報告。由于不同學者對鋼管混凝土抗軸向沖擊性能研究的側重點不同,所選取的影響因素也往往有所差別,綜合來看,主要有以下幾類影響因素:沖擊速度(應變率)、構件尺寸、溫度、鋼管對混凝土的約束程度等。通過對各研究進行細致的梳理歸納,將普遍性的研究結論總結如下:

(1) 鋼管混凝土軸向沖擊力隨著應變率、套箍系數的增大而增大,應變率對軸向沖擊力的提高尤為明顯;

(2) 隨著溫度的升高,鋼管混凝土軸向的動態增大系數DIF呈現出先增大后減小的趨勢,但總體比常溫下的動態增大系數DIF有所提高;

(3) 鋼管壁厚的增大能顯著改善鋼管混凝土構件在軸向沖擊荷載作用下的變形性能,壁厚越大殘余變形越小。

表1鋼管混凝土柱軸向沖擊試驗信息匯總表

Table 1 Summary of axial impact test information of concrete filled steel tubes

1.2 軸向沖擊承載力計算建議

本文將以往研究者的研究成果進行總結對比,分析了鋼管混凝土軸向沖擊承載力的應變率效應。

在動力荷載作用下,鋼材和混凝土都存在應變率效應,即材料強度隨著應變率的增大而提高。在20世紀90年代,Bischoff和Perry[10]總結了各個學者對混凝土動力抗壓性能研究方面的主要成果,提出了混凝土受壓動態增長系數隨應變率成指數型增長規律,并且發現高應變率和低應變率存在不同的增長趨勢。CEB-FIP規范[11]中根據試驗數據擬合得到的計算公式也將混凝土應變率效應分成高應變區和低應變區,見式(1)。另外關于鋼材的應變率效應,目前已經發展出了許多相關力學模型,其中最有代表性的為Cowper和Symonds[12]提出的Cowper-Symonds模型,見式(2)。

(1)

(2)

對于參數D和q,Jones[13]給出了各種金屬材料的Cowper-Symonds模型參數D和q的取值,可釆用D=40,q=5。

圖1 混凝土受壓應變率效應[10]Fig.1 Strain rate effect of concrete

為了探索鋼和混凝土兩種材料組合下的鋼管混凝土應變率效應規律,歸納分析了上述文獻中關于鋼管混凝土試件軸向承載力應變率效應的試驗研究結果。采用文獻[1-3,5,8]中29個常溫下鋼管混凝土試件的試驗數據,對其動態放大系數DIF和應變率之間的關系進行回歸分析。為便于比較,按照文獻[14]中給出的轉化系數將混凝土強度統一轉化為軸心抗壓強度進行計算。圖2為鋼管混凝土軸向承載力動態放大系數與應變率對數之間的關系曲線,如圖所示,在對數坐標系下,鋼管混凝土軸向承載力在高應變率下的增長趨勢比在低應變率下的增長趨勢更為明顯,這與混凝土強度的應變率效應一致。

圖2 鋼管混凝土柱軸向受壓動態增大系數與應變率關系Fig.2 Relationship between Dynamic Increasing Coefficient and Strain Rate of CFST under Axial Compression

根據上述結論,不妨假設鋼管混凝土構件的應變率效應是混凝土應變率效應和鋼材應變率效應的疊加。基于此思想,采用中國規范GB 50936—2014[15]提出的鋼管混凝土構件靜態軸向抗壓強度計算公式(3),再將公式(1)和式(2)計算得到的混凝土動態強度fcd以及鋼材的動態強度fyd分別代替公式(3)中的混凝土靜態強度fc和鋼材靜態屈服強度f進行計算,從而得到鋼管混凝土柱軸向動態承載力計算值Ncd。

N0=(1.212+Bθ+Cθ2)Ascfc

(3)

式中:N0為鋼管混凝土短柱的靜力軸心抗壓強度設計值;θ為約束系數,θ=Asf/Acfc,其中,f和fc分別表示鋼材的抗壓強度和混凝土的抗壓強度,另外Asc=As+Ac,As和Ac分別為鋼管和管內混凝土的面積;對于圓形實心鋼管B、C取值見式(4)和式(5):

B=0.176f/213+0.974

(4)

C=-0.104fc/14.4+0.031

(5)

為了檢驗該計算方法的合理性,將文獻[1-3,5,7,8]試驗測得的42個鋼管混凝土試件的動態承載力Ned與計算值Ncd進行比較,比較結果見圖3。由圖3可見,計算值與試驗值的比值k=Ncd/Ned的平均值為1.09,變異系數為17.05%,表明計算值與實測值接近且離散性不大。建議在一定的概率保證率下,可采用該計算方法進行鋼管混凝土柱受軸向沖擊承載力預測。

圖3 軸向受壓承載力計算值和試驗值比值圖Fig.3 Bearing capacity calculated value and experimental value ratio

2 側向沖擊

2.1 研究現狀與分析

一般而言,鋼管混凝土構件更易遭受垂直于構件縱向的橫向沖擊荷載,因此研究鋼管混凝土構件在側向荷載作用下的抗沖擊性能更具有工程意義。

王蕊、任夠平、李珠等[16-21]利用落錘試驗機對不同壁厚的鋼管混凝土構件進行了側向沖擊試驗以及采用有限元計算軟件完成了仿真模擬分析,研究了套箍系數、沖擊速度、沖擊能量、邊界條件以及軸壓比對鋼管混凝土抗側向沖擊性能的影響,結果表明沖擊力曲線可分為峰值階段、平臺階段以及降落階段;撓度隨沖擊能量的增大而增大,而隨套箍系數的增大而減小;沖擊力峰值和沖擊力平臺隨套箍系數的增大而增大,相同鋼管混凝土構件在不同沖擊作用下的沖擊力平臺值變化不大,軸壓比對沖擊性能的影響顯著;最后在試驗研究和有限元分析的基礎上,提出了鋼管混凝土構件在側向沖擊荷載作用下撓度的計算方法。

瞿海雁[22]采用LS-DYNA有限元軟件對鋼管混凝土柱的側向沖擊性能進行了影響參數分析,研究了混凝土強度、鋼材強度、沖擊能量對沖擊性能的影響,并提出了簡化分析模型。

侯川川[23]、章琪[24]以ABAQUS有限元軟件為平臺對鋼管混凝土構件的側向沖擊性能進行了數值模擬分析,研究了沖擊能量、含鋼率、鋼材強度以及混凝土強度等參數對其抗沖擊性能的影響,結果表明:沖擊能量越大則沖擊力持續時間越長,含鋼率和鋼材強度的增大能顯著地提升鋼管混凝土構件的側向抗沖擊能力,而混凝土強度的變化則對其抗側向沖擊能力的影響較小。

Deng[25-26]完成了12個鋼管混凝土構件的側向高速落錘沖擊試驗,研究了不同跨度和沖擊速度對構件抗沖擊性能的影響,采用能量守恒和動量守恒定理驗證了試驗的準確性,并提出了鋼管混凝土構件抗側向沖擊的設計方法。

Remennikov[27]、Bambach[28-29]、Yousuf[30-31]對普通鋼管混凝土和不銹鋼鋼管混凝土構件的側向沖擊進行了試驗研究;Bambach[28-29]在試驗的基礎上進行了理論推導研究,發展了不同邊界條件下沖擊力和吸收能關于位移的計算設計公式;Yousuf[30-31]對所進行的一系列試驗完成了ABAQUS有限元仿真分析,并采用將鋼材和混凝土動態材料參數代入澳洲規范靜力計算公式的方法來預測動態沖擊強度,比較了不銹鋼和低碳鋼鋼管在沖擊荷載下的強度和延性。

Han等[32]利用落錘裝置對高強鋼管混凝土構件完成了側向沖擊試驗,并采用ABAQUS有限元軟件完成了參數分析,分析了不同邊界條件、跨度、沖擊速度和沖擊質量對鋼管混凝土側向抗沖擊性能的影響,并提出了動態簡化模型。

Wang等[33]對不同壁厚鋼管超輕混凝土構件的側向沖擊性能完成了試驗研究、LS-DYNA有限元模擬以及理論推導,試驗結果表明沖擊力時程分為峰值、平臺、降落三個階段,鋼管壁厚對抗沖擊性能和彎曲變形影響很大,有限元仿真結果與試驗結果符合較好,并進一步提出了沖擊力-位移關系理論推導公式和數值迭代計算程序。

Shakir等[34]對鋼管普通混凝土和鋼管再生混凝土以及FRP增強鋼管混凝土的側向抗沖擊性能進行了研究,采用落錘沖擊試驗探索了不同跨度、錘頭形狀、混凝土種類以及FRP等因素對沖擊動態反應的影響,并提出了位移的計算模型并對Bambach[28]提出的沖擊力計算模型進行了修正。

楊有福[35-36]對圓形和方形鋼管再生混凝土構件進行了落錘側向沖擊試驗,研究了不同再生混凝土骨料取代率和不同軸壓比對其抗沖擊性能的影響,并建立了有限元分析模型,提出了沖擊力的計算方法。

表2為國內外鋼管混凝土梁式構件側向沖擊試驗的試驗參數和結果匯總,主要的影響因素包括端部約束條件、截面形式、截面尺寸、鋼管厚度、混凝土強度、鋼材強度、沖擊速度、沖擊質量以及軸向壓力等。綜合現有的各研究成果,可以得到如下一致性的研究結論:

(1) 鋼管混凝土構件在受側向剛性物體沖擊下的力時程曲線大致可以分為三個階段:峰值段、平臺段、降落段,如圖4所示。

(2) 沖擊力和殘余位移隨著沖擊速度、沖擊質量和沖擊能量的增大而增大。

(3) 含鋼率和鋼材強度的提高對鋼管混凝土構件抗側向沖擊能力的提升有顯著影響,而混凝土強度的變化則對其抗側向沖擊能力的影響較小。

(4) 軸壓比對沖擊性能的影響顯著,軸壓比較低時有利于抗沖擊性能的提升,而較高的軸壓比會降低構件抗沖擊性能。

(5) 鋼管混凝土構件的變形可以分為局部變形和整體變形兩部分,沖擊部位的局部凹陷和鼓曲以及固定端的局部鼓曲屬于局部變形,構件縱向軸線的整體撓曲屬于整體變形,如圖5所示。

表2鋼管混凝土柱側向沖擊試驗信息匯總表

Table 2 Summary of lateral impact test information of concrete filled steel tubes

注：D為圓形截面直徑;b×d為方形截面長寬;l為試件長度;t為鋼管壁厚;fy為鋼管鋼材屈服強度;fc為混凝土軸心抗壓強度(根據文獻[38]進行轉換折算);v為落錘沖擊速度;M為沖擊質量;Ei為沖擊動能;Fmax為沖擊力峰值;Fstab為沖擊力平臺值;δ為沖擊點處的殘余位移

圖4 沖擊力時程示意圖Fig.4 Time history of impact force

圖5 變形示意圖Fig.5 Deformation diagram under impact load

(6) 構件端部對自由度的約束越多,則鋼管混凝土的抗側向沖擊性能越好。

2.2 側向沖擊承載力計算建議

由于沖擊問題與沖擊作用的屬性具有很大關系,而描述沖擊作用最全面的參數即是沖擊動能,因此國內外學者大多從能量的角度來衡量鋼管混凝土構件的抗沖擊能力。本文對各學者提出的計算方法進行整合與修改,得出類似的簡化計算方法,其基本流程見圖6。

圖6 鋼管混凝土構件抗側向沖擊計算流程圖Fig.6 Calculation of resistance to lateral impact of concrete filled steel tubular members

假定沖擊動能Ei完全被鋼管混凝土構件所吸收,而實際上沖擊動能只有部分被鋼管混凝土構件因變形而吸收,因此假設是偏于安全的?；谀芰渴睾愣?定義等效沖擊承載力Feq=Ei/δ,其中,δ為沖擊點處的殘余位移,即沖擊動能Ei等于等效沖擊承載力Feq在沖擊點的殘余位移上所做的功。

在進行抗沖擊承載力驗算時,還需確定沖擊力放大系數R。此處采用文獻[19-21,25,32-34,37]提供的試驗數據,選取其中76個經沖擊試驗后達到屈服但未開裂的圓形鋼管混凝土試件為研究對象(即認為進入塑性狀態但未喪失承載力),求得其各自的等效沖擊承載力Feq。

由于本文采用的計算方法是建立在靜態承載力基礎之上,需要先得到鋼管混凝土靜態承載能力,因此采用中國規范GB 50936—2014[15]提出的鋼管混凝土構件承載力計算公式(式(6)-式(9))得到其抗彎極限承載力Mu。

Mu=γmWscfsc

(6)

Wsc=πD3/32

(7)

(8)

fsc=(1.212+Bθ+Cθ2)fc

(9)

式中:對于圓形截面B=0.176f/213+0.974,C=-0.104fc/ 14.4+0.031;對于正方形截面B=0.131f/213+0.723,C=-0.070fc/14.4+0.026;θ為鋼管混凝土的套箍系數,即θ=Asfy/Acfc;As,Ac分別為鋼管截面面積和混凝土截面面積;fy和fc分別為鋼材的屈服強度和混凝土抗壓強度;D為鋼管混凝土構件截面的外徑;ψ為空心率,對于實心截面,取ψ=0;γm為塑形發展系數,對于實心圓形截面γm=1.2。

當不考慮剪切變形時,假設構件在相應的塑性鉸出現后變為機構從而達到承載力極限狀態,如圖7所示,根據圖7的簡化分析模型計算構件在不同端部約束下的靜態承載力Fu。從而求得R=Feq/Fu。圖8為Feq與Fu的比值分布圖,其中,R的平均值為1.87,變異系數為23.99%?；诎踩O計原則,R應取較小值,假設R的概率分布為正態分布,由該樣本計算可得,R取1.31時滿足90%的概率保證率。此外,沖擊力放大系數R受各種因素的影響,為了更加準確地進行承載力預測,需進一步進行大量的試驗研究,從而更為準確地對沖擊力放大系數R進行取值。

圖 7 承載力簡化分析模型Fig.7 Simplified analysis model of bearing capacity

3 研究的局限性

雖然國內外已經對鋼管混凝土構件的抗沖擊性能進行了較為系統的研究,但目前的研究也存在一些不足,具體包括以下幾點:

圖8 等效沖擊承載力和靜態承載力比值圖Fig.8 Equivalent impact capacity and static bearring capacity ratio

(1) 試驗研究的構件尺寸較小,與實際尺寸相比,縮尺比例較大,從而導致尺寸效應影響顯著。

(2) 目前的試驗多為豎向垂直沖擊試驗,重力場方向垂直于構件軸線方向,而實際結構的鋼管混凝土構件所遭受的沖擊作用多為水平的車船撞擊荷載,因此需要進行水平側向沖擊試驗研究。

(3) 現今的沖擊試驗均是沖擊作用點在構件的跨中,而實際結構構件在遭受車船撞擊的作用點通常不在跨中,需進行不同作用點位置的沖擊性能研究。

(4) 目前的研究還未涉及懸臂鋼管混凝土構件的抗沖擊性能研究,而懸臂構件的抗側向剛度較小,在受沖擊荷載作用下的變形會更大,因此有必要對懸臂鋼管混凝土構件進行抗沖擊性能研究。

4 結 論

鋼管混凝土結構表現出良好的抗沖擊性能,目前該方面的研究已經取得一定的成果,探討了沖擊速度、沖擊質量、沖擊能量、混凝土強度、鋼材強度、套箍系數以及構件端部約束條件、溫度等因素對鋼管混凝土抗沖擊性能的影響,揭示了鋼管混凝土構件在沖擊作用下的破壞機理,提出了一些相應的計算方法。本文首先對鋼管混凝土構件軸向沖擊和側向沖擊的研究現狀進行了回顧、總結和對比,得到了一些具有共性的研究結論;同時也指出了目前研究的不足。此外,在現有數據的基礎上,提出了鋼管混凝土抗軸向沖擊和抗側向沖擊的承載力計算建議,研究成果可為鋼管混凝土結構的抗沖擊性能研究及工程應用提供科學參考。