鋼管混凝土抗沖擊性能研究現(xiàn)狀及計(jì)算建議

王瀟宇 肖 巖 徐金俊

(1.湖南大學(xué)土木工程學(xué)院,長(zhǎng)沙 410082; 2.南京工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院,南京 211816)

0 引 言

鋼管混凝土(Concrete-filled Steel Tubes,CFST)結(jié)構(gòu)具有承載能力高、塑性和韌性好、抗震性能優(yōu)良、施工方便以及經(jīng)濟(jì)性能良好等優(yōu)點(diǎn),目前已在高層及超高層建筑、大跨度橋梁、電力基礎(chǔ)設(shè)施等領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。這些工程結(jié)構(gòu)多數(shù)為一個(gè)國(guó)家或地區(qū)的重大建設(shè)項(xiàng)目,且直接與生命線工程相關(guān),一旦發(fā)生諸如倒塌、坍塌等破壞性事故,必將造成重大財(cái)產(chǎn)損失和威脅人民的生命安全,因此,防災(zāi)減災(zāi)事業(yè)任重而道遠(yuǎn)。除地震、海嘯等自然災(zāi)害外,撞擊和爆炸是由人為因素而引起的一類高頻災(zāi)種,其破壞程度不亞于自然界施加于人造設(shè)施的破壞力,這些人為災(zāi)害更需要引起科研工作者、工程設(shè)計(jì)人員、政府管理部門的重視。由于鋼管混凝土結(jié)構(gòu)具有良好的力學(xué)性能,尤其是抗變形能力較強(qiáng),這已引起有關(guān)學(xué)者對(duì)其抗沖擊性能方面的研究興趣,目前國(guó)內(nèi)外對(duì)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(cè)向沖擊兩類研究方向。為了將這些研究成果及時(shí)地展現(xiàn)給學(xué)界同行,本文系統(tǒng)地梳理了現(xiàn)今有關(guān)鋼管混凝土柱抗沖(撞)擊性能的試驗(yàn)方法、試驗(yàn)結(jié)果、數(shù)值技術(shù)以及理論模型,同時(shí)對(duì)未來鋼管混凝土柱抗沖擊性能的研究給出了相關(guān)建議。

1 軸向沖擊性能

1.1 研究現(xiàn)狀與分析

迄今為止,國(guó)內(nèi)外對(duì)鋼管混凝土構(gòu)件軸向抗沖擊性能方面的研究主要為快速加載試驗(yàn)機(jī)加載試驗(yàn)、霍普金森桿加載試驗(yàn)、重力式落錘試驗(yàn)機(jī)加載試驗(yàn),通過試驗(yàn)研究揭示其在軸向沖擊荷載下的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能與破壞機(jī)理。

1) 快速加載機(jī)加載

采用快速加載試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行沖擊加載試驗(yàn)的特點(diǎn)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(yīng)變率下構(gòu)件的動(dòng)力效應(yīng),適應(yīng)于低應(yīng)變率下的加載試驗(yàn)。陳肇元等[1]利用快速加載試驗(yàn)機(jī)對(duì)鋼管混凝土試件進(jìn)行了快速加載試驗(yàn),應(yīng)變率為60×10-3～ 75×10-3s-1,同時(shí)為方便對(duì)比,該課題組還進(jìn)行了鋼管混凝土短柱的軸向靜力加載試驗(yàn)以及混凝土材料和鋼材在快速變形下的強(qiáng)度試驗(yàn)。研究結(jié)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(qiáng)度提高了約20%,其提高幅值與混凝土抗壓強(qiáng)度提高幅度17%和鋼材強(qiáng)度的提高幅度20%相當(dāng)。Lahlou等[2]利用MTS試驗(yàn)機(jī)對(duì)鋼管約束高強(qiáng)混凝土試件完成了快速軸向壓縮加載試驗(yàn),加載速率為3.6×10-3～ 6.5×10-3s-1,試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨著鋼管對(duì)混凝土約束程度的提高,鋼管混凝土的軸向動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度增加明顯,同時(shí)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(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)構(gòu)件在高應(yīng)變率下的沖擊加載試驗(yàn),并能較好地控制應(yīng)變率,易于操作,試驗(yàn)成本較低;但其缺陷也是十分明顯的,目前僅能對(duì)尺寸較小的構(gòu)件進(jìn)行加載,主要用于材料層面的沖擊力學(xué)性能測(cè)試。Xiao[3]采用霍普金森桿裝置對(duì)鋼管混凝土圓柱體試塊進(jìn)行了沖擊加載試驗(yàn),并提出了鋼管混凝土動(dòng)態(tài)增大系數(shù)(DIF)的簡(jiǎn)化計(jì)算公式和動(dòng)態(tài)約束系數(shù)的概念;基于試驗(yàn)測(cè)試,得到鋼管混凝土圓柱體試塊的動(dòng)態(tài)增大系數(shù)DIF與計(jì)算公式所得的DIF較為接近;同時(shí),試驗(yàn)結(jié)果還表明鋼管混凝土的動(dòng)態(tài)約束系數(shù)與相應(yīng)的靜態(tài)約束系數(shù)較為相近。Huo[4]對(duì)小尺寸鋼管混凝土試塊在經(jīng)歷不同溫度場(chǎng)后進(jìn)行了霍普金森桿沖擊試驗(yàn),探索了高溫后鋼管混凝土抗軸向沖擊荷載的性能,由此發(fā)現(xiàn),隨著溫度的升高,鋼管混凝土的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度顯著降低。此后,何遠(yuǎn)明等[5]進(jìn)一步利用大尺寸的霍普金森桿裝置對(duì)高溫下鋼管混凝土試塊進(jìn)行了軸向沖擊試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)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(qiáng)度越低;但動(dòng)態(tài)增大系數(shù)DIF隨著溫度的升高先略有下降之后又呈現(xiàn)出增長(zhǎng)的趨勢(shì)。

3) 落錘實(shí)驗(yàn)機(jī)加載

重力式落錘試驗(yàn)機(jī)加載是沖擊試驗(yàn)最常用的方法,其優(yōu)點(diǎn)在于直觀、原理簡(jiǎn)單、易于控制、使用靈活、應(yīng)用范圍廣泛等。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者采用了落錘試驗(yàn)機(jī)對(duì)鋼管混凝土進(jìn)行了軸向沖擊試驗(yàn)。

Prichard和Perry[6]對(duì)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(jìn)行了落錘沖擊試驗(yàn),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(yàn)結(jié)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(duì)沖擊力峰值的提升更為明顯。

Xiao和Shen[7]利用落錘試驗(yàn)機(jī)對(duì)2 mm、4 mm兩種不同壁厚的鋼管混凝土柱進(jìn)行了軸向沖擊試驗(yàn),并與約束鋼管混凝土短柱做了對(duì)比研究。試驗(yàn)結(jié)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(huán)向殘余變形減小得越明顯,可見鋼管對(duì)混凝土的環(huán)向約束效應(yīng)明顯。

霍靜思等[8-9]對(duì)13根不同壁厚的鋼管混凝土短柱試件在經(jīng)歷不同高溫后進(jìn)行了落錘軸向沖擊試驗(yàn),研究了不同溫度和鋼管壁厚對(duì)鋼管混凝土軸向抗沖擊性能的影響,結(jié)果表明:經(jīng)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(dòng)態(tài)增大系數(shù)DIF呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì),但總體比常溫下的動(dòng)態(tài)增大系數(shù)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(yàn)匯總情況見表1,表中各試驗(yàn)的試件截面類型均為圓形截面,暫時(shí)未發(fā)現(xiàn)其他類型的截面的試驗(yàn)報(bào)告。由于不同學(xué)者對(duì)鋼管混凝土抗軸向沖擊性能研究的側(cè)重點(diǎn)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(yīng)變率)、構(gòu)件尺寸、溫度、鋼管對(duì)混凝土的約束程度等。通過對(duì)各研究進(jìn)行細(xì)致的梳理歸納,將普遍性的研究結(jié)論總結(jié)如下:

(1) 鋼管混凝土軸向沖擊力隨著應(yīng)變率、套箍系數(shù)的增大而增大,應(yīng)變率對(duì)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(dòng)態(tài)增大系數(shù)DIF呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì),但總體比常溫下的動(dòng)態(tài)增大系數(shù)DIF有所提高;

(3) 鋼管壁厚的增大能顯著改善鋼管混凝土構(gòu)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(yàn)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(jì)算建議

本文將以往研究者的研究成果進(jìn)行總結(jié)對(duì)比,分析了鋼管混凝土軸向沖擊承載力的應(yīng)變率效應(yīng)。

在動(dòng)力荷載作用下,鋼材和混凝土都存在應(yīng)變率效應(yīng),即材料強(qiáng)度隨著應(yīng)變率的增大而提高。在20世紀(jì)90年代,Bischoff和Perry[10]總結(jié)了各個(gè)學(xué)者對(duì)混凝土動(dòng)力抗壓性能研究方面的主要成果,提出了混凝土受壓動(dòng)態(tài)增長(zhǎng)系數(shù)隨應(yīng)變率成指數(shù)型增長(zhǎng)規(guī)律,并且發(fā)現(xiàn)高應(yīng)變率和低應(yīng)變率存在不同的增長(zhǎng)趨勢(shì)。CEB-FIP規(guī)范[11]中根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到的計(jì)算公式也將混凝土應(yīng)變率效應(yīng)分成高應(yīng)變區(qū)和低應(yīng)變區(qū),見式(1)。另外關(guān)于鋼材的應(yīng)變率效應(yīng),目前已經(jīng)發(fā)展出了許多相關(guān)力學(xué)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(duì)于參數(shù)D和q,Jones[13]給出了各種金屬材料的Cowper-Symonds模型參數(shù)D和q的取值,可釆用D=40,q=5。

圖1 混凝土受壓應(yīng)變率效應(yīng)[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(yīng)變率效應(yīng)規(guī)律,歸納分析了上述文獻(xiàn)中關(guān)于鋼管混凝土試件軸向承載力應(yīng)變率效應(yīng)的試驗(yàn)研究結(jié)果。采用文獻(xiàn)[1-3,5,8]中29個(gè)常溫下鋼管混凝土試件的試驗(yàn)數(shù)據(jù),對(duì)其動(dòng)態(tài)放大系數(shù)DIF和應(yīng)變率之間的關(guān)系進(jìn)行回歸分析。為便于比較,按照文獻(xiàn)[14]中給出的轉(zhuǎn)化系數(shù)將混凝土強(qiáng)度統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為軸心抗壓強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算。圖2為鋼管混凝土軸向承載力動(dòng)態(tài)放大系數(shù)與應(yīng)變率對(duì)數(shù)之間的關(guān)系曲線,如圖所示,在對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下,鋼管混凝土軸向承載力在高應(yīng)變率下的增長(zhǎng)趨勢(shì)比在低應(yīng)變率下的增長(zhǎng)趨勢(shì)更為明顯,這與混凝土強(qiáng)度的應(yīng)變率效應(yīng)一致。

圖2 鋼管混凝土柱軸向受壓動(dòng)態(tài)增大系數(shù)與應(yīng)變率關(guān)系Fig.2 Relationship between Dynamic Increasing Coefficient and Strain Rate of CFST under Axial Compression

根據(jù)上述結(jié)論,不妨假設(shè)鋼管混凝土構(gòu)件的應(yīng)變率效應(yīng)是混凝土應(yīng)變率效應(yīng)和鋼材應(yīng)變率效應(yīng)的疊加。基于此思想,采用中國(guó)規(guī)范GB 50936—2014[15]提出的鋼管混凝土構(gòu)件靜態(tài)軸向抗壓強(qiáng)度計(jì)算公式(3),再將公式(1)和式(2)計(jì)算得到的混凝土動(dòng)態(tài)強(qiáng)度fcd以及鋼材的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度fyd分別代替公式(3)中的混凝土靜態(tài)強(qiáng)度fc和鋼材靜態(tài)屈服強(qiáng)度f進(jìn)行計(jì)算,從而得到鋼管混凝土柱軸向動(dòng)態(tài)承載力計(jì)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(qiáng)度設(shè)計(jì)值;θ為約束系數(shù),θ=Asf/Acfc,其中,f和fc分別表示鋼材的抗壓強(qiáng)度和混凝土的抗壓強(qiáng)度,另外Asc=As+Ac,As和Ac分別為鋼管和管內(nèi)混凝土的面積;對(duì)于圓形實(shí)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(yàn)該計(jì)算方法的合理性,將文獻(xiàn)[1-3,5,7,8]試驗(yàn)測(cè)得的42個(gè)鋼管混凝土試件的動(dòng)態(tài)承載力Ned與計(jì)算值Ncd進(jìn)行比較,比較結(jié)果見圖3。由圖3可見,計(jì)算值與試驗(yàn)值的比值k=Ncd/Ned的平均值為1.09,變異系數(shù)為17.05%,表明計(jì)算值與實(shí)測(cè)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(jì)算方法進(jìn)行鋼管混凝土柱受軸向沖擊承載力預(yù)測(cè)。

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

2 側(cè)向沖擊

2.1 研究現(xiàn)狀與分析

一般而言,鋼管混凝土構(gòu)件更易遭受垂直于構(gòu)件縱向的橫向沖擊荷載,因此研究鋼管混凝土構(gòu)件在側(cè)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(yàn)機(jī)對(duì)不同壁厚的鋼管混凝土構(gòu)件進(jìn)行了側(cè)向沖擊試驗(yàn)以及采用有限元計(jì)算軟件完成了仿真模擬分析,研究了套箍系數(shù)、沖擊速度、沖擊能量、邊界條件以及軸壓比對(duì)鋼管混凝土抗側(cè)向沖擊性能的影響,結(jié)果表明沖擊力曲線可分為峰值階段、平臺(tái)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(shù)的增大而減小;沖擊力峰值和沖擊力平臺(tái)隨套箍系數(shù)的增大而增大,相同鋼管混凝土構(gòu)件在不同沖擊作用下的沖擊力平臺(tái)值變化不大,軸壓比對(duì)沖擊性能的影響顯著;最后在試驗(yàn)研究和有限元分析的基礎(chǔ)上,提出了鋼管混凝土構(gòu)件在側(cè)向沖擊荷載作用下?lián)隙鹊挠?jì)算方法。

瞿海雁[22]采用LS-DYNA有限元軟件對(duì)鋼管混凝土柱的側(cè)向沖擊性能進(jìn)行了影響參數(shù)分析,研究了混凝土強(qiáng)度、鋼材強(qiáng)度、沖擊能量對(duì)沖擊性能的影響,并提出了簡(jiǎn)化分析模型。

侯川川[23]、章琪[24]以ABAQUS有限元軟件為平臺(tái)對(duì)鋼管混凝土構(gòu)件的側(cè)向沖擊性能進(jìn)行了數(shù)值模擬分析,研究了沖擊能量、含鋼率、鋼材強(qiáng)度以及混凝土強(qiáng)度等參數(shù)對(duì)其抗沖擊性能的影響,結(jié)果表明:沖擊能量越大則沖擊力持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng),含鋼率和鋼材強(qiáng)度的增大能顯著地提升鋼管混凝土構(gòu)件的側(cè)向抗沖擊能力,而混凝土強(qiáng)度的變化則對(duì)其抗側(cè)向沖擊能力的影響較小。

Deng[25-26]完成了12個(gè)鋼管混凝土構(gòu)件的側(cè)向高速落錘沖擊試驗(yàn),研究了不同跨度和沖擊速度對(duì)構(gòu)件抗沖擊性能的影響,采用能量守恒和動(dòng)量守恒定理驗(yàn)證了試驗(yàn)的準(zhǔn)確性,并提出了鋼管混凝土構(gòu)件抗側(cè)向沖擊的設(shè)計(jì)方法。

Remennikov[27]、Bambach[28-29]、Yousuf[30-31]對(duì)普通鋼管混凝土和不銹鋼鋼管混凝土構(gòu)件的側(cè)向沖擊進(jìn)行了試驗(yàn)研究;Bambach[28-29]在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了理論推導(dǎo)研究,發(fā)展了不同邊界條件下沖擊力和吸收能關(guān)于位移的計(jì)算設(shè)計(jì)公式;Yousuf[30-31]對(duì)所進(jìn)行的一系列試驗(yàn)完成了ABAQUS有限元仿真分析,并采用將鋼材和混凝土動(dòng)態(tài)材料參數(shù)代入澳洲規(guī)范靜力計(jì)算公式的方法來預(yù)測(cè)動(dòng)態(tài)沖擊強(qiáng)度,比較了不銹鋼和低碳鋼鋼管在沖擊荷載下的強(qiáng)度和延性。

Han等[32]利用落錘裝置對(duì)高強(qiáng)鋼管混凝土構(gòu)件完成了側(cè)向沖擊試驗(yàn),并采用ABAQUS有限元軟件完成了參數(shù)分析,分析了不同邊界條件、跨度、沖擊速度和沖擊質(zhì)量對(duì)鋼管混凝土側(cè)向抗沖擊性能的影響,并提出了動(dòng)態(tài)簡(jiǎn)化模型。

Wang等[33]對(duì)不同壁厚鋼管超輕混凝土構(gòu)件的側(cè)向沖擊性能完成了試驗(yàn)研究、LS-DYNA有限元模擬以及理論推導(dǎo),試驗(yàn)結(jié)果表明沖擊力時(shí)程分為峰值、平臺(tái)、降落三個(gè)階段,鋼管壁厚對(duì)抗沖擊性能和彎曲變形影響很大,有限元仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果符合較好,并進(jìn)一步提出了沖擊力-位移關(guān)系理論推導(dǎo)公式和數(shù)值迭代計(jì)算程序。

Shakir等[34]對(duì)鋼管普通混凝土和鋼管再生混凝土以及FRP增強(qiáng)鋼管混凝土的側(cè)向抗沖擊性能進(jìn)行了研究,采用落錘沖擊試驗(yàn)探索了不同跨度、錘頭形狀、混凝土種類以及FRP等因素對(duì)沖擊動(dòng)態(tài)反應(yīng)的影響,并提出了位移的計(jì)算模型并對(duì)Bambach[28]提出的沖擊力計(jì)算模型進(jìn)行了修正。

楊有福[35-36]對(duì)圓形和方形鋼管再生混凝土構(gòu)件進(jìn)行了落錘側(cè)向沖擊試驗(yàn),研究了不同再生混凝土骨料取代率和不同軸壓比對(duì)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(jì)算方法。

表2為國(guó)內(nèi)外鋼管混凝土梁式構(gòu)件側(cè)向沖擊試驗(yàn)的試驗(yàn)參數(shù)和結(jié)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(qiáng)度、鋼材強(qiáng)度、沖擊速度、沖擊質(zhì)量以及軸向壓力等。綜合現(xiàn)有的各研究成果,可以得到如下一致性的研究結(jié)論:

(1) 鋼管混凝土構(gòu)件在受側(cè)向剛性物體沖擊下的力時(shí)程曲線大致可以分為三個(gè)階段:峰值段、平臺(tái)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(zhì)量和沖擊能量的增大而增大。

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

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

(5) 鋼管混凝土構(gòu)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(gòu)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(cè)向沖擊試驗(yàn)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(zhǎng)寬;l為試件長(zhǎng)度;t為鋼管壁厚;fy為鋼管鋼材屈服強(qiáng)度;fc為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度(根據(jù)文獻(xiàn)[38]進(jìn)行轉(zhuǎn)換折算);v為落錘沖擊速度;M為沖擊質(zhì)量;Ei為沖擊動(dòng)能;Fmax為沖擊力峰值;Fstab為沖擊力平臺(tái)值;δ為沖擊點(diǎn)處的殘余位移

圖4 沖擊力時(shí)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(gòu)件端部對(duì)自由度的約束越多,則鋼管混凝土的抗側(cè)向沖擊性能越好。

2.2 側(cè)向沖擊承載力計(jì)算建議

由于沖擊問題與沖擊作用的屬性具有很大關(guān)系,而描述沖擊作用最全面的參數(shù)即是沖擊動(dòng)能,因此國(guó)內(nèi)外學(xué)者大多從能量的角度來衡量鋼管混凝土構(gòu)件的抗沖擊能力。本文對(duì)各學(xué)者提出的計(jì)算方法進(jìn)行整合與修改,得出類似的簡(jiǎn)化計(jì)算方法,其基本流程見圖6。

圖6 鋼管混凝土構(gòu)件抗側(cè)向沖擊計(jì)算流程圖Fig.6 Calculation of resistance to lateral impact of concrete filled steel tubular members

假定沖擊動(dòng)能Ei完全被鋼管混凝土構(gòu)件所吸收,而實(shí)際上沖擊動(dòng)能只有部分被鋼管混凝土構(gòu)件因變形而吸收,因此假設(shè)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(diǎn)處的殘余位移,即沖擊動(dòng)能Ei等于等效沖擊承載力Feq在沖擊點(diǎn)的殘余位移上所做的功。

在進(jìn)行抗沖擊承載力驗(yàn)算時(shí),還需確定沖擊力放大系數(shù)R。此處采用文獻(xiàn)[19-21,25,32-34,37]提供的試驗(yàn)數(shù)據(jù),選取其中76個(gè)經(jīng)沖擊試驗(yàn)后達(dá)到屈服但未開裂的圓形鋼管混凝土試件為研究對(duì)象(即認(rèn)為進(jìn)入塑性狀態(tài)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(jì)算方法是建立在靜態(tài)承載力基礎(chǔ)之上,需要先得到鋼管混凝土靜態(tài)承載能力,因此采用中國(guó)規(guī)范GB 50936—2014[15]提出的鋼管混凝土構(gòu)件承載力計(jì)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(duì)于圓形截面B=0.176f/213+0.974,C=-0.104fc/ 14.4+0.031;對(duì)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(shù),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(qiáng)度和混凝土抗壓強(qiáng)度;D為鋼管混凝土構(gòu)件截面的外徑;ψ為空心率,對(duì)于實(shí)心截面,取ψ=0;γm為塑形發(fā)展系數(shù),對(duì)于實(shí)心圓形截面γm=1.2。

當(dāng)不考慮剪切變形時(shí),假設(shè)構(gòu)件在相應(yīng)的塑性鉸出現(xiàn)后變?yōu)闄C(jī)構(gòu)從而達(dá)到承載力極限狀態(tài),如圖7所示,根據(jù)圖7的簡(jiǎn)化分析模型計(jì)算構(gòu)件在不同端部約束下的靜態(tài)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(shù)為23.99%。基于安全設(shè)計(jì)原則,R應(yīng)取較小值,假設(shè)R的概率分布為正態(tài)分布,由該樣本計(jì)算可得,R取1.31時(shí)滿足90%的概率保證率。此外,沖擊力放大系數(shù)R受各種因素的影響,為了更加準(zhǔn)確地進(jìn)行承載力預(yù)測(cè),需進(jìn)一步進(jìn)行大量的試驗(yàn)研究,從而更為準(zhǔn)確地對(duì)沖擊力放大系數(shù)R進(jìn)行取值。

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

3 研究的局限性

雖然國(guó)內(nèi)外已經(jīng)對(duì)鋼管混凝土構(gòu)件的抗沖擊性能進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究,但目前的研究也存在一些不足,具體包括以下幾點(diǎn):

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

(1) 試驗(yàn)研究的構(gòu)件尺寸較小,與實(shí)際尺寸相比,縮尺比例較大,從而導(dǎo)致尺寸效應(yīng)影響顯著。

(2) 目前的試驗(yàn)多為豎向垂直沖擊試驗(yàn),重力場(chǎng)方向垂直于構(gòu)件軸線方向,而實(shí)際結(jié)構(gòu)的鋼管混凝土構(gòu)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(jìn)行水平側(cè)向沖擊試驗(yàn)研究。

(3) 現(xiàn)今的沖擊試驗(yàn)均是沖擊作用點(diǎn)在構(gòu)件的跨中,而實(shí)際結(jié)構(gòu)構(gòu)件在遭受車船撞擊的作用點(diǎn)通常不在跨中,需進(jìn)行不同作用點(diǎn)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(gòu)件的抗沖擊性能研究,而懸臂構(gòu)件的抗側(cè)向剛度較小,在受沖擊荷載作用下的變形會(huì)更大,因此有必要對(duì)懸臂鋼管混凝土構(gòu)件進(jìn)行抗沖擊性能研究。

4 結(jié) 論

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出良好的抗沖擊性能,目前該方面的研究已經(jīng)取得一定的成果,探討了沖擊速度、沖擊質(zhì)量、沖擊能量、混凝土強(qiáng)度、鋼材強(qiáng)度、套箍系數(shù)以及構(gòu)件端部約束條件、溫度等因素對(duì)鋼管混凝土抗沖擊性能的影響,揭示了鋼管混凝土構(gòu)件在沖擊作用下的破壞機(jī)理,提出了一些相應(yīng)的計(jì)算方法。本文首先對(duì)鋼管混凝土構(gòu)件軸向沖擊和側(cè)向沖擊的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了回顧、總結(jié)和對(duì)比,得到了一些具有共性的研究結(jié)論;同時(shí)也指出了目前研究的不足。此外,在現(xiàn)有數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,提出了鋼管混凝土抗軸向沖擊和抗側(cè)向沖擊的承載力計(jì)算建議,研究成果可為鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能研究及工程應(yīng)用提供科學(xué)參考。