軸向沖擊荷載下L形截面鋼管混凝土短柱受力性能

馬 騏, 曾 希, 雷 震, 杜國鋒

(長江大學城市建設學院，荊州 434023)

鋼管混凝土結構因其結合了鋼管和混凝土的優越性在土木工程領域得到了廣泛的研究和應用[1]，其在靜力和動力荷載作用下的力學性能成為了許多學者研究的熱點[2-7]。在實際工程中，工程結構會承受各種動力荷載的作用，動力荷載產生的沖擊波導致結構在短時間內的抗沖擊力承載力遠大于其設計容許值，同時在沖擊荷載下結構的變形情況及其內部應力的分布也不同于常規荷載作用下結構的力學響應。因此，對結構在動力荷載作用下的設計有著更高的要求，研究結構在動力荷載作用下的受力特征具有十分重要的意義。

隨著智能材料的應用發展,利用智能材料制作的PVDF(聚偏二氟乙烯)壓電智能傳感器在結構檢測等方面取得了很多成果。Du等[8-9]開發了一種PVDF壓電智能傳感器，應用于沖擊載荷下鋼管混凝土柱內核心混凝土的應力分布特點的監測，并從PVDF智能傳感器獲得了在沖擊荷載下應力和時間的關系曲線，得到核心混凝土內部應力的演變特征；同時運用有限元模型模擬，結果表明，有限元模型模擬結果與試驗結果吻合較好，PVDF智能傳感器能有效地監測沖擊載荷下鋼管混凝土短柱的內部應力變化情況。為能較好地得到核心混凝土的應力值，余尚江等[10]對傳感器在混凝土中的的靈敏度進行了標定，標定結果表明，傳感器在混凝土中的靈敏度與靜態標定的靈敏度接近,即可將靜態標定后的靈敏度修正后直接用在混凝土試件中，并對結構損傷情況進行了監測，試驗表明，PVDF壓電智能傳感器具有很好的耐沖擊性、動態響應快、靈敏度高等優點。孟一等[11]用落錘試驗機對預埋PVDF傳感器的鋼管混凝土柱進行軸向沖擊試驗，證明了PVDF作為監測核心混凝土應力傳感器的可靠性，以及將PVDF傳感器置于混凝土結構內部進行應力監測的可行性。雷震等[12]對粘貼有PVDF傳感器的T形截面鋼管混凝土短柱進行軸向沖擊試驗研究，試驗結果表明，PVDF傳感器能很好地記錄混凝土固有頻率，并具有較高的靈敏度，可以合理地預測PVDF傳感器的輸出電壓。曾希等[13]對粘貼應變片的圓形鋼管混凝土短柱進行側向沖擊試驗和有限元模擬，研究表明，應變片具有較好的獲得應變歷程的能力，可以合理地體現試件的變形情況。

以上研究主要利用PVDF等智能傳感器監測結構在沖擊荷載作用下的承載力，而針對L形截面鋼管混凝土研究少有報導。因此，將PVDF傳感器埋入L形鋼管混凝土短柱中，進行落錘沖擊試驗，并將試驗結果與有限元分析結果進行對比，在驗證的基礎上進行了多參數分析。

1 試驗概況

1.1 試件設計

試驗所用的鋼管壁壁厚分別為3 mm、4 mm的L形鋼管混凝土短柱試件，編號分別為L-3和L-4，試件高度均為400 mm，其幾向尺寸及構造如圖1所示。L形鋼管混凝土試件是由兩個100 mm×100 mm和100 mm×200 mm的矩形鋼材焊接而成，其中在L形鋼管頂部有直徑為10 mm的圓孔以防止試件在沖擊過程中PVDF壓電傳感器的輸出線遭到破壞；在L形鋼管的上下底面均焊接一塊尺寸為400 mm×400 mm×10 mm的矩形鋼板，其所用材料與試件鋼材材料一樣，材質均為Q235碳素鋼；同時在試件底板的4個角處開出螺栓孔后將試件固定在試驗機器的支座處，考慮到沖擊過程中沖擊錘的強大沖擊力會對試件頂板造成很大損傷，以及保證沖擊荷載作用在試件上試件受力均勻，所以在沖擊之前設計一塊300 mm×300 mm×10 mm的厚鋼板作為沖擊墊板放于試件頂板使用。

混凝土所用水泥采用425#普通硅酸鹽水泥，沙子為中細砂混合，碎石最大尺寸約為18 mm，混凝土配合比為m水∶m水泥∶m砂∶m碎石=0.40∶1∶1.25∶2.75。在澆主鋼管混凝土試件時，同時澆筑尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的立方體試塊作為混凝土強度檢測,編號分別為H-1、H-2、H-3，按《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T50081—2002)測定混凝土立方體抗壓強度平均值fcu=25.4 MPa。鋼材均采用Q235型號鋼，鋼材的力學性能參數如表1所示。

圖1 試件幾何尺寸及構造Fig.1 Dimensions and details of specimen

表1 鋼材的力學性能參數

1.2 試驗方案

試驗裝置是采用的長江大學落錘式沖擊試驗機，如圖2、圖3所示。實驗裝置主要由支撐架結構、導向柱、沖擊落錘和高度控制裝置等部分組成，錘頭直徑為100 mm，最大沖擊高度為7.8 m,最大沖擊速度為12.36 m/s。沖擊的錘頭結構的質量為339～639 kg，本試驗取落錘質量為339 kg。試驗機的底部主要包括混凝土承臺、用于固定試件的成孔鉆柱樁、高度400 mm的支座。該試驗裝置可用于各種沖擊試驗。

圖2 落錘試驗機裝置Fig.2 Drop-hammer device

圖3 落錘試驗機示意圖Fig.3 Schematic diagram of drop weighttester

試驗過程中，先將構件正中放在試驗機的試件承臺，并用螺栓將試件與承臺孔固定，并把抗沖擊墊板放于試件頂部，主要作用是防止沖擊過程中試件受到不均勻的沖擊力從而發生不規則破壞。分別對L-3和L-4試件連續施加多次的沖擊荷載，沖擊高度在0.5～5 m分別以0.5 m遞增，試件在受到連續沖擊荷載過程中，分別記錄沖擊荷載作用下錘頭沖擊力傳感器輸出的沖擊力值、PVDF壓電傳感器輸出的電壓值以及動態應變采集儀輸出的應變值，可以得到沖擊力、沖擊應力、應變與時間的關系。試驗前通過沖擊加載方式對PVDF壓電傳感器進行靈敏度標定，通過標定可得到靈敏度值為380 kN/V,對傳感器標定后的標定系數為1.300 MPa/V。

1.3 試件測點布置與量測

在試件內1/2高度200 mm各腔體的正中間處放置了5個PVDF傳感器用于測量核心混凝土在沖擊荷載下的應力狀態，如圖4所示。SS-1傳感器垂直于長邊，測量Y方向的應力值；SS-2傳感器平行于長邊設置，測量X方向會產生的應力值；SS-3傳感器水平放置，測量試件Z方向的應力值；SS-4和SS-5分別測量腔體1和腔體3混凝土Z方向的應力值。在試件的外包鋼材上，在高度200 mm處分別貼上應變片測量各個位置的軸向和環向應變。為避免試件澆筑混凝土時置于內部的PVDF壓電傳感器移動，設計了用四腳支架來支撐傳感器的裝置，其中支架高度為試件高度的1/2，傳感器用鐵絲纏繞固定，支架用細鐵絲拉于L形鋼管上部邊緣，以防止澆注混凝土時支架出現偏移和折疊的情況。

圖4 試件L-3在高1/2處橫截面測點布置Fig.4 Measurement pointsarrangementof L-3 at 1/2 cross-sectionheight

圖5 試件L-3在不同沖擊高度下的變形Fig.5 Deformation in different impact heights of test piece L-3

圖6 試件L-4在不同沖擊高度下的變形Fig.6 Deformation in different impact heights of test piece L-4

2 試驗結果與分析

2.1 試驗現象

圖5和圖6所示是不同壁厚的L形鋼管混凝土試件在不同高度連續沖擊下的變形圖。為研究試件在不同沖擊高度下的變形程度，以試件L-4的試驗結果為例分析。當沖擊高度為 1 m 時，試件頂部鋼板與試件柱體焊接部位發生了輕微的隆起，其主要原因是頂部鋼板與柱體焊接的時候與內部混凝土之間存在細小空隙所致，此刻只是鋼管壁在單獨承受沖擊荷載；當沖擊高度為2 m時，內部混凝土與L形鋼管管壁一起承受沖擊力的作用，此時試件發生變形區域集中于試件上部，試件整體無明顯變形；當沖擊高度達到3 m時，鋼管壁邊緣以及頂端部均開始出現比較明顯的隆起現象，但是由于鋼管壁的約束作用，試件并未出現明顯破壞；當沖擊高度達到4 m時，試件頂部和中部均出現較大程度的變形，此時混凝土與鋼管壁出現較大分離，混凝土出現一定破壞。沖擊現象可得，隨著沖擊高度的遞進增大，L形鋼管混凝土試件變形越明顯。為研究不同壁厚對試件抗沖擊承載力的影響，對比L-3和L-4試件的變形，落錘沖擊高度相同的情況下，L-4試件相比L-3試件的變形，由于L-4試件鋼管壁對內部混凝土的約束作用更強，從而試件變形更小，結果說明增加鋼材的厚度能明顯提升L形鋼管混凝土的抗沖擊承載力。

2.2 核心混凝土沖擊應力

利用標定的PVDF傳感器記錄核心混凝土的應力數據，以試件L-4在沖擊高度1 m、3 m為研究對象，繪制其應力時程曲線如圖7所示，顯示試件核心混凝土的曲線發展基本趨勢一致，承受主要沖擊能量位置的SS-3應力峰值略微高于其他位置的應力峰值，比較結果說明試件在受到沖擊荷載作用過程中，試件整體的協同性較好。如圖8所示，對比不同沖擊高度下的SS-3傳感器得到的應力時程曲線，變化趨勢基本一致，隨著沖擊高度的增加，沖擊應力明顯增大。主要沖擊應力數據如表2所示。

圖7 沖擊應力時程曲線Fig.7 Time history curve of impact force

圖8 不同沖擊高度沖擊應力時程曲線Fig.8 Time history curve of impact force in different impact heights

圖9所示為試件L-4內部核心混凝土受到軸向沖擊荷載作用下，其三向應力以及兩側小腔體的應力峰值與沖擊能量的關系曲線。圖9(a)顯示，軸向沖擊下試件的軸向應力明顯大于水平應力，隨著沖擊能量的增加，內部核心混凝土的應力逐漸增加，但是當能量達到12 kJ后曲線出現下降趨勢，主要是由于沖擊能量過大，內部核心混凝土超出彈性階段，出現一定的破壞情況。圖9(b)顯示，對比試件內不同位置小腔體內混凝土的應力峰值，隨著沖擊能量的增大，各小腔體的應力峰值均逐漸增大，并且中心腔體部位的應力峰值略高于側面腔體的應力峰值，但是變化趨勢基本一致，說明試件內部混凝土具有很好的協同性，在沖擊能量達到12 kJ時，由于沖擊荷載主要作用于中心混凝土區域，構件的剛度有較大程度的退化，混凝土出現破壞，導致進入塑性階段時沖擊力峰值出現下降趨勢。

3 有限元分析

3.1 有限元模型

用ABAQUS6.19顯示動力分析對試件在受到落錘沖擊作用下的力學性能進行模擬分析。該模塊無需進行平衡迭代，分析速度相對較快，不會出現收斂性的問題，適合瞬時動力學問題的求解。模擬了L形鋼管混凝土試件落錘沖擊的試驗，模型如圖10所示，所建模型包含核心混凝土、L形鋼管，以及沖擊落錘等部分。部件單元劃分采用C3D8R。由于內部核心混凝土與鋼管壁的接觸存在位移差，兩者接觸包括切向行為和法向行為，切向行為采用罰(庫侖摩擦)模型，其摩擦系數取0.6。邊界條件試件底部x、y、z方向位移和轉角均完全固定，落錘沖擊部位約束x、y方向位移以及x、y、z方向轉角。網格劃分采用結構化網格技術，試件網格劃分尺寸為20 mm，落錘不在研究范圍內，將其設定為剛體單元網格粗略劃分。

表2 主要應力數據

圖9 試件L-4應力時程曲線Fig.9 Stress time history curve of L-4

圖10 網格劃分和邊界條件Fig.10 Meshing and boundary conditions

3.2 材料本構關系

核心混凝土在受到外界荷載作用下會產生一定的剛度退化，在ABAQUS中提出了一種混凝土損傷模型(concrete damaged plasticity，CDP)，該分析模型結合了混凝土復雜的非線性行為，核心混凝土處于彈性階段時，鋼管和混凝土一起承受荷載的作用，此時試件軸心受壓。核心混凝土達到塑性行為時，由于鋼管壁的約束作用，混凝土受到三向受壓，隨機試件抗壓強度有所提升，所以采用劉威等[14]提出的模型。模型表達式如下。

受壓階段：

(1)

(2)

(3)

圖11 L-4試件在不同沖擊高度下的應力云圖Fig.11 Stress cloud diagram in different impact heights of L-4

受拉階段：

(4)

鋼材的模型選用五段式，即彈性、彈塑性、塑性、強化、二次塑流5個階段，表達式為

(5)

3.3 應力云圖

圖11所示為模型在受到不同沖擊高度的荷載下的應力云圖，由于試件L-3和L-4在相同沖擊下的變形相似，此處只列出試件L-4的變形云圖。云圖和試驗結果比較，能夠較好地模擬分析L形鋼管混凝土試件受沖擊荷載作用下的基本特征。最先發生變形的是L形內轉角處，隨著落錘沖擊高度的遞增，試件的變形量也逐漸增大。試件的變形在1 m和2 m時主要集中于上部，并出現局部隆起現象，內角柱頂端應力集中引起較大變形；當沖擊高度達到3 m時試件下部也出現較大變形；當到達4 m時試件中部也出現較大變形，試件底部和中部均出現較大隆起現象，柱頂端變形嚴重。通過有限元模型的分析與試件試驗變形現象的比較，有限元模型分析基本能模擬試件受沖擊作用下的試件變形現象。

3.4 有限元模型驗證

圖12所示為模擬試驗沖擊高度分別為1、2、3、4 m的L-3試件沖擊力時程曲線。將有限元模擬得到的沖擊力時程曲線和試驗測得的沖擊力時程曲線進行對比分析可以看到，模擬值和試驗值都經歷了迅速上升到達峰值，平緩下降，到最終基本都趨于零的穩定階段整個過程，兩者變化趨勢基本一致，模擬和試驗得到的沖擊力峰值接近，表明所建的有限元模型以及選取的基本參數是可行的，可以用此模型對其他的影響參數進行模擬分析。

圖12 沖擊力時程曲線Fig.12 Time history curves of impact force

3.5 有限元模型參數分析

根據已驗證的有限元模型，在實際工程常用的鋼材和混凝土強度范圍內取相關參數，有限元模擬了不同強度級別的鋼材和混凝土對于L形鋼管混凝土結構的抗沖擊承載力的影響。

由圖13(a)可見，在固定混凝土強度為30 MPa以及沖擊高度為2 m時，隨著鋼材強度的提高，其剛度提高，沖擊力峰值顯著提高，沖擊力時長減小，說明鋼材強度的提高能顯著提高L形鋼管混凝土的抗沖擊承載力。在實際工程中，要加強L形鋼管混凝土結構的抗沖擊承載力，可以適當提高鋼材強度。由圖13(b)可見，不同混凝土強度的模擬結果沖擊力曲線趨勢及大小均類似，沖擊力峰值小幅增加，主要是由于混凝土受到鋼管的強約束作用，核心混凝土不會發生明顯的破壞模式，說明提高混凝土強度對試件的抗沖擊承載力的提高作用甚微。

圖13 沖擊力時程曲線Fig.13 Time history curves of impact force

為研究L形鋼管混凝土結構在受到不同位置的軸向沖擊下的受力性能，分別對有限元模型3個腔體進行沖擊模擬，得到相應腔體的沖擊力和沖擊應力時程曲線。以試件L-3的模型為例，由圖14可見，不同沖擊位置下各腔體的時程曲線變化趨勢基本一致，沖擊力峰值基本接近；由圖15可見，在各腔體內的混凝土的沖擊應力曲線圖的變化趨勢基本一致，應力峰值較為接近。說明L形鋼管混凝土短柱在受到不同位置的軸向沖擊時仍具有較好的工作協同性，能夠很好地應用于工程實際中。

圖14 沖擊力時程曲線Fig.14 Time history curves of impact force

圖15 沖擊應力時程曲線Fig.15 Time history curve of impact force

4 結論

(1)在沖擊荷載較小時，L形鋼管混凝土短柱柱頂最先出現局部鼓曲，隨著沖擊高度的增加，試件鼓曲范圍逐漸向中部和底端擴散，破壞時柱頂內角出現局部開裂現象。

(2)在沖擊荷載作用下，試件的沖擊應力時程曲線表現為峰值、震蕩、快速衰減和穩定4個階段。在相同沖擊高度下，壁厚較大的L形鋼管混凝土試件沖擊應力峰值較大，整體變形較小，說明增加鋼材厚度有利于試件抗沖擊承載力的提高。

(3)有限元結果與試驗結果吻合較好，選擇強度較大的鋼材能顯著提高試件的抗沖擊承載力，而混凝土強度等級的影響則相對較小。

(4)有限元模擬沖擊不同位置，得到沖擊力與沖擊應力變化趨勢和峰值基本一致，說明L形鋼管混凝土結構受到軸向沖擊荷載時協同性較好，可以很好地用于工程實際。