SRC柱和CFST柱在車輛撞擊下的動力響應分析

李其廉　張媛媛　潘政華　敦彥茹　楊宇　崔卿源

摘 要：為了研究框架柱在沖擊荷載作用下的抗撞擊性能，基于非線性有限元軟件LS-DYNA建立了精細化車輛-框架柱碰撞模型。首先，根據軸壓承載力相同的原則設計2類框架柱：鋼骨混凝土（SRC）柱和鋼管混凝土（CFST）柱；其次，對軸壓比、撞擊角度、撞擊速度和車型等影響方形框架柱抗撞擊性能有關因素進行參數化分析，探討框架柱在汽車撞擊下的塑性損傷以及破壞模式；最后，比較SRC柱和CFST柱的抗撞擊性。結果表明，SRC柱在柱頂受到斜向剪切破壞，在柱底受到彎剪破壞，而CFST柱的破壞模式是彎曲破壞。在車輛側向撞擊下，角度為15°撞擊SRC柱時更危險，而CFST柱在正面撞擊時更危險。車輛速度和車輛質量的增大，使得框架柱受到的碰撞損傷增大。CFST柱的抗撞擊性能優于SRC柱。研究結果證明SRC柱和CFST柱具有優越的抗撞擊性能，可為國家相關標準的修訂提供參考。

關鍵詞：高速碰撞動力學；鋼骨混凝土柱；鋼管混凝土柱；車輛撞擊；動力響應

中圖分類號：TU311 文獻標識碼：A DOI： 10.7535/hbgykj.2023yx03005

Dynamic response analysis of SRC and CFST square

columns under vehicle impact

LI Qilian ZHANG Yuanyuan PAN Zhenghua DUN Yanru YANG Yu CUI Qingyuan

（1.School of Civil Engineering，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang， Hebei， 050018， China; 2.Ju′nan County Housing and Urban-Rural Development Bureau， Linyi，Shandong 276000， China; 3.Hebei Institute of Building Science Company Limited， Shijiazhuang， Hebei 050000， China; 4.China National Chemical Communications Construction Group Company Limited， Ji′nan， Shandong 250000， China）

Abstract：In order to study the impact resistance of frame column under impact load，a refined vehicle-frame column collision model was established based on the nonlinear finite element software LS-DYNA. Firstly， two types of frame columns were designed according to the principle of the same axial compression bearing capacity： steel reinforced concrete column and concrete filled steel tube column; Secondly， the factors affecting the impact resistance of square column frame column， such as axial compression ratio， impact angle， impact velocity and vehicle type， were analyzed by parameterization， and the plastic damage and failure mode of frame column under vehicle impact were discussed; Finally， the impact resistance of SRC column and CFST column was compared.The results show that the SRC column is subjected to oblique shear failure at the top and flexural shear failure at the bottom， while the CFST column is subjected to flexural failure.Under the lateral impact of vehicle， it is more dangerous to impact the SRC column at the angle of 15°， while it is more dangerous for the CFST column to get the front impact. With the increase of vehicle speed and vehicle mass， the impact damage of frame column increases. The impact resistance of CFST column is better than that of SRC column. The results show that SRC column and CFST column have superior impact resistance， which can provide reference for the revision of relevant national standards.

Keywords：high speed collision dynamics; SRC column;CFST column; vehicle impact; dynamic response

近年來，車輛與建（構）筑物的碰撞事故頻繁發生，造成了相當大的財產損失和人員傷亡，因此，有必要對車輛撞擊結構物的動力響應進行深入研究。在現實生活中，建筑物底層立柱、橋梁立柱、護欄、交通信號結構和電桿是最容易受到車輛撞擊的結構構件[1]。鋼管混凝土（concrete filled steel tube，CFST）柱易于施工且具有優越的結構性能，常被用作高層建筑與高聳結構的主要受力構件。從結構工程的角度看，核心混凝土和周圍鋼管的聯合作用提供了比傳統鋼筋混凝土柱更高的承載能力，核心混凝土還可以避免或者延緩外鋼管過早發生局部屈曲[2-3]。

JTGD 60—2015《公路橋涵設計通用規范》均將撞擊力峰值最大設為1 000 kN[4]。但在車輛碰撞過程中，結構構件的損壞與許多因素有關，對撞擊的動態反應隨著不同的撞擊參數（如：車輛速度、撞擊角度）和不同的車輛類型（車輛質量）而變化。

在發生碰撞的情況下，碰撞產生的沖擊力會導致框架結構柱承載力的急劇下降，在極端情況下，這可能破壞框架柱，甚至導致整個建筑物的倒塌。有許多關于車輛碰撞對傳統鋼筋混凝土（rein forced concrete，RC）柱和鋼骨混凝土（steel reinforced concrete，SRC）柱脆弱性的研究，杜彬[5]對撞擊速度、撞擊角度、柱截面慣性矩以及汽車載重等因素對RC柱與汽車碰撞下的動力響應的影響進行研究，SHARMA等[6]基于性能分析和設計，對車輛撞擊RC柱進行動態分析，定義了3種損傷性能水平，預測了RC柱的動態剪力能力。朱翔等[7-8]對比了SRC柱和RC柱的抗沖擊性能，發現軸壓比增大會削弱SRC柱的抗沖擊性能。張東杰[9]分析了影響SRC柱抗沖擊性能的參數，評價了SRC柱的抗沖擊性，并提出抗沖擊承載力放大系數公式。

王蕊等[10]研究了簡支梁的動力響應，結果表明，鋼管的徑厚比對吸能能力有較大影響。SHAN等[11]使用氣槍對CFST柱進行了軸向沖擊試驗，發現其在沖擊載荷下軸向強度有所提高。XIAO等[12]通過落錘試驗檢驗了CFST柱的軸向承載力，發現失效模式與初始沖擊能量相關。除了軸向試驗之外，學者們還研究了CFST柱在橫向沖擊載荷作用下的性能。EL-TAWIL等[1]對2個精細的橋梁結構和車輛模型進行數值模擬，研究了橋柱上的卡車碰撞，發現等效靜態力（ESF）與撞擊速度成線性關系。已有研究主要集中于框架結構柱的動力響應分析，而對框架結構柱在抗撞擊性能和破壞機理的研究較少。

本文采用LS-DYNA軟件對SRC柱和CFST柱進行有限元模型可靠性模擬驗證，分析不同的軸壓比、車輛撞擊角度、車輛撞擊速度和車輛類型對框架柱抗撞擊性能的影響，以期量化SRC柱和CFST柱的抗撞擊優越性能。

1 有限元模型

1.1 車輛與柱耦合模型

由于框架結構中柱子的截面形狀一般為方形，故本文選擇方形截面的柱子作為模擬對象，模擬結論只適用于方形截面柱。

為了進行碰撞模擬，本文采用LS-DYNA有限元軟件建立模型，并選用美國國家公路交通安全管理局國家碰撞分析中心（NCAC）開發的車輛模型中的3個公開可用的車輛有限元模型[13-14]，研究框架結構柱的抗撞擊性能。結合國內車輛類型狀況和美國汽車制造協會的卡車分類標準[15]，選用了3類代表性車型進行研究：Metro代表微型轎車、Pike-up代表輕型卡車、Ford代表中型貨車。

1.2 材料模型

1.2.1 混凝土

1.2.2 鋼筋和鋼材

1.3 碰撞接觸與沙漏設置

鋼管和混凝土、車輛與框架柱之間均選用LS-DYNA軟件中的CONTACT_AUTOMATIC_SURFACETO_SURACE作為接觸邊界條件。依據參考文獻[18]以及試驗結果，本文將動、靜摩擦系數分別取值0.6和0.5。黏性接觸阻尼VDC設為20，可以有效地減小因車輛與柱之間剛度差異大而產生的接觸噪聲。

LS-DYNA使用單點高斯積分的單元可以節省計算時間，但是，由于積分點不足導致單元剛度矩陣中秩不足，會使某些單元出現節點位移不為零、但應力和應變為零的狀態，這種非物理變形的零能模式叫做沙漏模式[18]。本文模擬使用4號沙漏，沙漏系數設為0.05。

1.4 模型驗證

由于成本昂貴，很難開展相關的物理試驗，本文參照文獻[19]和文獻[20]來驗證車輛碰撞中各個模型的有效性。鋼筋和混凝土材料本構如1.2節所述，圖3為文獻[20]中模擬中的裂縫垂直于梁的正截面向外延伸向上形成斜裂縫，與試驗損傷走向一致。圖4為文獻[21]的損傷對比圖。

圖5 a）—圖5 b）為文獻[20]落錘撞擊力時程曲線和位移時程曲線對比圖，

圖5 c）—圖5 d）為鋼管混凝土撞擊力時程曲線和位移時程曲線對比圖。結果表明模擬構件的塑性損傷、破壞模式以及撞擊力時程都與試驗吻合較好。

2 框架柱的設計參數

本文分析的框架柱為3跨×5跨的3層帶樓板框架的底層柱。遵循柱的軸壓承載力相同的原則，按照規范[22]設計柱：CFST柱（400 mm×400 mm，t=8 mm），SRC柱（400 mm×400 mm，H型鋼200 mm×200 mm×8 mm×12 mm）。鋼筋使用HRB400，混凝土強度為C30，柱凈高4.2 m，鋼材使用Q345。全部采用分離式建模方式，并且忽略鋼筋、型鋼、混凝土之間的黏結滑移效應。為了更好地模擬柱子的邊界條件，在柱子上下兩端增加了柱頭

和柱腳。鋼管使用SHEEL163單元，核心混凝土、工字型鋼選用SOLID164單元，鋼筋采用BEAM161單元，考慮到計算精度和計算時間，網格尺寸控制在25 mm。

分析參數如表3所示，其中每種柱的工況有16種。考慮軸力作用，首先進行軸壓比設計，本文使用動力松弛法，待軸力施加到結構上穩定后再進行碰撞沖擊計算。

3 框架柱的變形模式

圖6為框架柱重力加載階段的有效應變圖，圖7給出了在汽車撞擊速度為80 km/h時，SRC柱和CFST柱的變形模式。由圖7可知：不同汽車撞擊下2種柱的損傷模式不同。SRC柱在微型轎車撞擊作用下，由于汽車質量較小，撞擊力所產生的彎曲也較小，因此SRC柱的破壞模式表現為混凝

土的局部受壓破壞；輕型卡車撞擊柱時，汽車噸位增加，撞擊力明顯增大，柱頂發生明顯的斜剪破壞，柱底則發生彎剪破壞；中型貨車撞擊柱時，汽車的撞擊力增大，在碰撞的瞬間柱子的彎曲變形發展很快，剪應力很快成為破壞應力，其中，混凝土表現為嚴重的剝落和以明顯彎曲為主的彎剪破壞。

如圖7 b）所示，由于只有在CFST柱碰撞處的少量混凝土受到了撞擊破壞，柱的水平方向裂縫幾乎沒有發展，混凝土沒有出現剝落的現象。在微型轎車撞擊時CFST柱損傷極小，在輕型卡車和中型貨車的撞擊下，水平方向裂縫幾乎沒有發展，柱的整體破壞模式為混凝土受壓破壞，柱整體表現為彎曲變形。

通過對比發現，CFST柱的抗彎剛度比SRC柱高得多，混凝土的剝落導致了SRC柱的剛度被削弱，說明這是影響柱耐撞性的關鍵因素，鋼管約束住混凝土的剝落使得CFST柱更具有耐撞性。CFST柱在車輛沖擊力下具有優越的性能。

4 參數分析

4.1 軸壓比

不同軸壓比下的SRC柱和CFST柱在汽車撞擊下的抗撞擊性能如圖8所示，圖8 a）為2種柱在不同軸壓比時的撞擊力時程曲線，撞擊力峰值（PDF）和撞擊力持時（Δt）是撞擊力時程曲線的2個重要指標。SRC柱的軸壓比從0.10增加到0.45，對應的PDF則從3.14 MN增加到3.44 MN，幅值變化1.09倍，Δt均為0.273 1 s。CFST柱對應的PDF從6.51 MN變為6.50 MN，Δt均為0.273 4 s。2種柱的PDF和Δt幾乎保持不變，這說明軸壓比的變化對汽車PDF的影響不大。圖8 b）為2種柱的水平位移曲線。可以看出，SRC柱中，水平位移隨著軸壓比的增大先減小，然后增大，鋼筋混凝土受壓構件的M-N相關曲線顯示，當軸向荷載N達到一定值時M可以達到最大值，這時軸力增大或者減小都會降低構件的抗彎承載力M。當軸壓比為0～0.3時，由于M-N曲線效應，H型鋼和混凝土的抗撞擊能力隨著軸壓比的增加而增加；隨著軸壓比的持續增加，混凝土喪失承載力，整體的抗撞擊性能下降，造成水平位移進一步增加。CFST柱的水平位移隨著軸壓比的增大而減小，由于外鋼管的約束作用提高了核心混凝土的強度，隨著軸壓比的增加，鋼管的約束作用變得更強，抗撞擊性也隨之提高。

4.2 撞擊角度

中型貨車分別以0°，15°，30°和45°撞擊框架柱。圖9顯示了SRC柱和CFST柱在不同撞擊角度時的抗撞擊性能曲線。

由圖9 a）可知，對SRC柱的撞擊角度從0°逐漸增加到45°，撞擊力從3.14 MN降為2.11 MN，隨著撞擊角度的增大PDF隨之減小，撞擊力持時Δt分別為273.1，274.8，276.2，276.6 ms，同樣表現為逐漸增大。而由圖9 b）可知，CFST柱的PDF也由5.38 MN降為3.77 MN，Δt分別為273.4，275.2，276.6，277.2 ms，可以看出，CFST柱在不同撞擊角度時，PDF和Δt的變化趨勢與SRC柱相同，說明撞擊力峰值在正面撞擊時最大。

由圖9 c）可知，正面撞擊時SRC柱的最大位移為116.0 mm，在15°，30°和45°撞擊角度下的最大位移達到120.0，108.2，88.6 mm，在15°撞擊時損傷最嚴重。而CFST柱相對應的位移分別為15.2，10.4，6.7，5.09 mm，最大位移是逐漸減小的。這說明在正面撞擊時，汽車為一個單向動力荷載，撞擊角度的改變伴隨著雙向沖擊和扭矩作用的發生，鋼骨混凝土柱表面的混凝土棱角更容易被撞碎，導致被撞處提前失效，而鋼管混凝土柱由于混凝土被鋼管包裹，只有在撞擊處的部分混凝土失去承載力，因此，在汽車側向撞擊時，柱的抗撞擊性能更好。綜上所述，鋼骨混凝土柱在15°撞擊時的抗撞擊性能更差，而鋼管混凝土柱在正面撞擊時抗撞擊性能更差。

4.3 車輛類型

由圖10 a）可知，不同車型的內部構造和質量均不同，分別用Metro，Pike-up，Ford 3種車型以80 km/h撞擊，SRC柱的撞擊力峰值分別為2.00，2.68，3.14 MN，幅值增加1.17倍；CFST柱的PDF從0.722 MN增加到5.38 MN，幅值增加了6.45倍。Δt也隨著車質量的增大（從0.95 t增加到8.3 t）而增加，這主要是因為車質量的增大導致了撞擊沖量的增大，從而撞擊力峰值也增大。

圖10 b）所示為不同車型的撞擊對SRC柱和CFST柱水平位移的影響。可以看出，框架柱的位移隨著撞擊速度的增大而逐漸增加，SRC柱在Metro，Pike-up，Ford 3種車型的撞擊下，最大水平位移分別為3.21，19.00，95.70 mm。而CFST柱的最大水平位移分別為1.04，8.58，16.40 mm，2種柱的最大水平位移相差4.83倍，這說明CFST柱的抗撞擊性能遠大于SRC柱。

4.4 撞擊速度

圖11顯示了SRC柱和CFST柱在不同撞擊速度下的撞擊性能。圖11 a）中的撞擊力時程曲線顯示，框架柱的撞擊力隨著速度的增加而增加。Ford以30 km/h撞擊SRC柱時，PDF為0.98 MN，最大水平位移為8.38 mm，Δt為227.0 ms；車速為50 km/h時，PDF為1.63 MN，最大水平位移為22.4 mm，Δt為252.0 ms；車速為60 km/h時，PDF為1.88 MN，最大水平位移為36.6 mm，Δt為263.7 ms；車速為80 km/h時，PDF為3.14 MN，最大水平位移為95.7 mm，Δt時為273.1 ms；速度增大到90 km/h時，PDF增大到了4.44 MN，最大水平位移為289 mm，Δt為276.2 ms。

可以看出，隨著撞擊速度的增大，Δt逐漸增大，峰值持時逐漸減小，這主要是因為車速越大，車頭保險杠在撞擊時被擠壓變形的速度也越快。

隨著車速從30 km/h增加到90 km/h，CFST柱PDF也從0.96 MN增大到6.30 MN，幅值增大了5.56倍。這主要是由撞擊沖量的提高所致。如圖11 b）所示，在Ford不同速度的撞擊下，CFST柱的水平位移分別為0.532，1.34，3.48，16.40，125.00 mm，Δt也從229.0 ms增加到276.5 ms。這說明車速越高，框架柱就需要更大的變形來吸收撞擊能量，柱的水平位移也隨之增大，因此受到的碰撞損傷就越大。綜上所述，CFST柱的耐撞性更好。

5 規范對比

本文將不同的軸壓比、撞擊角度、撞擊速度和車輛類型條件下，車輛對SRC柱和CFST柱的PDF進行匯總，列于表4和表5。

JTGD 60—2015《公路橋涵設計通用規范》［4］中均將撞擊力峰值最大設為1 MN，與表4和表5對比可知，只有在低速30 km/h撞擊SRC柱和CFST柱時PDF低于1 MN，其余的PDF均遠遠超過了規范設置的撞擊力峰值的限值，這說明規范的限值是偏于保守的。

6 結 語

本文利用數值模擬研究了鋼骨混凝土（SRC）柱和鋼管混凝土（CFST）柱在汽車撞擊下的動力響應，結論如下。

1）不同車型撞擊框架柱的損傷模式不同。在中型貨車撞擊SRC柱時，混凝土柱頂發生斜剪破壞，柱底發生彎剪破壞；CFST柱在微型轎車撞擊下基本沒有受到破壞，在輕型卡車和中型貨車的撞擊下，主要的破壞模式為壓彎破壞和剪切破壞。車輛速度越高、車輛質量越大，框架柱的碰撞損傷越大。

2）軸向荷載的施加在一定范圍內能夠提高框架柱在汽車橫向撞擊下的抗撞擊力，但超過一定軸壓比后會加快框架柱的動力響應而加大損傷破壞。由于M-N曲線效應，隨著軸壓比的增大，SRC柱受撞擊后的水平位移先減小后增大，CFST柱受撞擊后的水平位移隨著軸向荷載的增大而減小。

3）在側向撞擊下，SRC柱受到15°撞擊時更危險，而鋼管混凝土受到正面撞擊時更危險。在車輛撞擊下SRC柱的損傷較大，CFST柱的損傷較小，說明CFST柱的抗撞擊性能優于SRC柱。

本文研究的局限性在于所選車輛類型和建筑結構形式不夠豐富，下一步研究中可以對客運車、重型卡車、拖車等常見車型進行分析，并且也可以考慮對剪力墻結構和砌體結構等結構形式的抗撞擊性能進行深入研究。另外，建立車輛撞擊的損傷評估曲線和評估通用公式也是未來的研究內容。

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