沖擊與爆炸荷載作用下鋼管混凝土柱性能分析

(廣州大學(xué)土木工程學(xué)院 廣東 廣州 510000)

引言

鋼管混凝土是指在鋼管中填充混凝土而形成的構(gòu)件，由于其具有高承載力、良好的塑性和韌性、顯著的經(jīng)濟(jì)效益和施工簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，因而大量應(yīng)用在高層建筑結(jié)構(gòu)[1]。隨著社會(huì)的發(fā)展高層建筑越來越多，人們對(duì)于高層建筑的安全防范越來越重視，而爆炸及沖擊無疑是對(duì)高層建筑安全性的重大威脅。因此本文針對(duì)鋼管混凝土柱在爆炸和沖擊荷載下的性能進(jìn)行綜述。

一、鋼管混凝土研究發(fā)展歷史

鋼管混凝土是在勁性鋼筋混凝土以及螺旋配筋混凝土的基礎(chǔ)上演變和發(fā)展起來的。從1897年美國(guó)人John Lally發(fā)明在圓鋼管中填充混凝土作為房屋建筑的承重柱算起，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在土木工程中的應(yīng)用已有百年歷史[2]。對(duì)鋼管混凝土力學(xué)性能的深入研究以及大范圍推廣應(yīng)用于工程實(shí)際主要是在20世紀(jì)60年代前后。

我國(guó)最早開展這方面研究工作的是原中國(guó)科學(xué)院哈爾濱土建研究所，主要對(duì)鋼管中澆筑素混凝土的內(nèi)填型鋼管混凝土結(jié)構(gòu)開展研究，且研究對(duì)象主要為圓鋼管混凝土結(jié)構(gòu)。隨著鋼管混凝土在我國(guó)研究的進(jìn)展，建設(shè)部于1995年將“鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)”列入科技成果重點(diǎn)推廣項(xiàng)目[3]，以及鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程(CECS 28:2012)、實(shí)心與空心鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(CECS 254:2012)的頒布實(shí)施都有力地推動(dòng)了鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)在我國(guó)的高層建筑工程、地鐵車站工程和大跨度橋梁工程中的應(yīng)用，而鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)自身也在上述工程實(shí)踐中得到了新的發(fā)展。

二、沖擊和爆炸荷載下鋼管混凝土柱性能研究

建筑結(jié)構(gòu)在爆炸沖擊荷載作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)與靜荷載相比有著許多不同的規(guī)律。在中低速荷載作用下，鋼管混凝土材料性能不至于發(fā)生顯著變化，而爆炸沖擊荷載作用下巨大的能量會(huì)引起鋼管混凝土柱結(jié)構(gòu)的超大變形、屈曲、斷裂、甚至是連續(xù)性倒塌，造成災(zāi)難性事故。鋼管混凝土是組合結(jié)構(gòu)，在爆炸沖擊荷載作用下，鋼管和混凝土材料產(chǎn)生彈塑性變形、動(dòng)態(tài)損傷、等多種效應(yīng)藕合，其破壞過程是一個(gè)更為復(fù)雜的非線性的動(dòng)力破壞過程，它與鋼管、混凝土材料性能、幾何參數(shù)、炸藥當(dāng)量、距離或被撞擊物形狀、質(zhì)量、速度及沖擊部位、結(jié)構(gòu)邊界條件等情況密切相關(guān)，研究難度大，是防災(zāi)減災(zāi)工程與防護(hù)工程領(lǐng)域的熱點(diǎn)課題。

目前，已有一些學(xué)者對(duì)鋼管混凝土構(gòu)件的爆炸沖擊動(dòng)力性能進(jìn)行了理論分析或試驗(yàn)研究。清華大學(xué)的陳肇元[4]等對(duì)七組共42根鋼管混凝土短柱做了試驗(yàn)分析，探討了該類短柱的動(dòng)力性能。試驗(yàn)結(jié)果表明:鋼管混凝土短柱具有非常好的延性和抵抗暫時(shí)作用的爆炸荷載的能力。

李國(guó)強(qiáng)，瞿海雁[5]等通過對(duì)12個(gè)鋼管混凝土柱試件進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)爆炸試驗(yàn)，以研究鋼管混凝土柱的抗爆性能。試驗(yàn)中以炸藥當(dāng)量、炸藥放置距離、軸壓比、混凝土強(qiáng)度等級(jí)和含鋼率為控制參數(shù)，研究不同參數(shù)對(duì)鋼管混凝土柱抗爆性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：鋼管混凝土柱在爆炸荷載作用下以彎曲變形為主。隨著炸藥當(dāng)量和軸壓比的增加，試件的最大變形和殘余變形增大；隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)、含鋼率的增加，試件的最大變形和殘余變形減小。

王宏偉，王亞生[6]等以炸藥當(dāng)量和鋼管壁厚為控制參數(shù)，進(jìn)行了8根大尺寸圓鋼管及方鋼管混凝土柱的爆炸試驗(yàn)。得到了炸藥爆炸沖擊波的壓力時(shí)程曲線，分析了鋼管混凝土柱的位移和應(yīng)變變化，并對(duì)破壞模式進(jìn)行了研究。試驗(yàn)結(jié)果表明：炸藥當(dāng)量較小時(shí)，鋼管混凝土的超壓時(shí)程曲線的變化趨勢(shì)與典型的爆炸沖擊波超壓時(shí)程曲線非常相近，試件均處于彈性狀態(tài)，沒有出現(xiàn)屈服。炸藥當(dāng)量較大時(shí)，隨著炸藥當(dāng)量的增加，試件的跨中變形和殘余變形均增大；提高鋼管混凝土試件的含鋼率可有效改善鋼管混凝土柱的抗爆性能。

師燕超、李忠獻(xiàn)等[7]等提出了鋼筋混凝土柱基于豎向剩余承載力的一種新的破壞準(zhǔn)則，并基于此準(zhǔn)則，在大量有限元模擬和結(jié)果分析的基礎(chǔ)上，提出一種通過數(shù)值模擬確定鋼筋混凝土柱P-I曲線的簡(jiǎn)化方法，并對(duì)此法中的參數(shù)進(jìn)行分析，結(jié)果表明增大柱深和提高混凝土軸心抗壓強(qiáng)度以及提高箍筋配筋率均能顯著降低鋼筋混凝土柱在爆炸荷載作用下的損傷程度。

目前對(duì)于爆炸沖擊荷載作用下，鋼管混凝土構(gòu)件的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的研究主要是從兩方面進(jìn)行的:(1)試驗(yàn)研究，主要是針對(duì)鋼管混凝土構(gòu)件在中低速?zèng)_擊荷載作用情況下和快速加載情況下的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的研究;(2)數(shù)值模擬，主要是通過有限元分析軟件建立有限元分析模型進(jìn)而研究鋼管混凝土構(gòu)件在軸向、側(cè)向爆炸沖擊荷載作用下以及在內(nèi)部爆炸沖擊荷載作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。而研究鋼管混凝土柱受沖擊性能的試驗(yàn)方法主要有:(1)引爆炸藥直接施加爆炸荷載;(2)利用落錘下落對(duì)構(gòu)件施加沖擊荷載;(3)利用輕氣炮施加高速?zèng)_擊荷載;(4)利用分離式霍普金森桿(簡(jiǎn)稱SHPB)，對(duì)試驗(yàn)構(gòu)件施加沖擊荷載。對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行有限元數(shù)值模擬中，學(xué)者們較多地使用了LS-DYNA和ABAQUS。

三、防爆與防沖擊的安全措施

設(shè)計(jì)抵御外來爆炸或沖擊荷載的結(jié)構(gòu)，首先是保護(hù)這些結(jié)構(gòu)中的人員，在結(jié)構(gòu)受到爆炸沖擊的偶然作用，結(jié)構(gòu)應(yīng)能夠承受這種作用;或者在結(jié)構(gòu)體系發(fā)生局部垮塌后，依靠剩余結(jié)構(gòu)體系仍能繼續(xù)承載，避免發(fā)生大范圍破壞或者連續(xù)倒塌。其次是盡量減少由爆炸產(chǎn)生的破片對(duì)建筑物之外人員的傷害。最后是應(yīng)將進(jìn)入該建筑物的沖擊波效應(yīng)盡量減少[8]。對(duì)由于過度變形而破壞的結(jié)構(gòu)，其材料須按塑性狀態(tài)破壞，關(guān)鍵的連接點(diǎn)必須充分利用被連接材料的強(qiáng)度。因?yàn)榻ㄖ锿ǔＪ菫榭赡馨l(fā)生的意外事故而設(shè)計(jì)的，并非是為想象可能出現(xiàn)的最嚴(yán)重的事故而設(shè)計(jì)的，所以建筑物必然會(huì)出現(xiàn)超載情況下的逐漸破壞。

四、結(jié)語

鋼管混凝土因其自身的特點(diǎn)，使其具有較好的經(jīng)濟(jì)效益，因此在工程中得以大量應(yīng)用，它的應(yīng)用前景依然廣闊。盡管有眾多學(xué)者對(duì)鋼管混凝土做了大量科學(xué)研究，但是由于爆炸荷載及爆炸荷載作用下鋼管混凝土動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的復(fù)雜性，國(guó)內(nèi)外針對(duì)其爆炸荷載作用下的破壞模式、損傷評(píng)估均的試驗(yàn)研究很少，今后有待于更進(jìn)一步的試驗(yàn)研究。當(dāng)前沖擊荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的影響日益突出的情況下，對(duì)鋼管混凝土抗沖擊性能的研究應(yīng)更加深入，為制定更加健全、成熟的行業(yè)法規(guī)提供有力的支持，以保證建筑結(jié)構(gòu)的安全。