沖擊與爆炸荷載作用下鋼管混凝土柱性能分析

(廣州大學土木工程學院 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)濟效益和施工簡便等優(yōu)點，因而大量應用在高層建筑結(jié)構(gòu)[1]。隨著社會的發(fā)展高層建筑越來越多，人們對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高層建筑安全性的重大威脅。因此本文針對鋼管混凝土柱在爆炸和沖擊荷載下的性能進行綜述。

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上演變和發(fā)展起來的。從1897年美國人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)在土木工程中的應用已有百年歷史[2]。對鋼管混凝土力學性能的深入研究以及大范圍推廣應用于工程實際主要是在20世紀60年代前后。

我國最早開展這方面研究工作的是原中國科學院哈爾濱土建研究所，主要對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，且研究對象主要為圓鋼管混凝土結(jié)構(gòu)。隨著鋼管混凝土在我國研究的進展，建設部于1995年將“鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)”列入科技成果重點推廣項目[3]，以及鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設計技術(shù)規(guī)程(CECS 28:2012)、實心與空心鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(CECS 254:2012)的頒布實施都有力地推動了鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)在我國的高層建筑工程、地鐵車站工程和大跨度橋梁工程中的應用，而鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)自身也在上述工程實踐中得到了新的發(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態(tài)響應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、動態(tài)損傷、等多種效應藕合，其破壞過程是一個更為復雜的非線性的動力破壞過程，它與鋼管、混凝土材料性能、幾何參數(shù)、炸藥當量、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，是防災減災工程與防護工程領(lǐng)域的熱點課題。

目前，已有一些學者對鋼管混凝土構(gòu)件的爆炸沖擊動力性能進行了理論分析或試驗研究。清華大學的陳肇元[4]等對七組共42根鋼管混凝土短柱做了試驗分析，探討了該類短柱的動力性能。試驗結(jié)果表明:鋼管混凝土短柱具有非常好的延性和抵抗暫時作用的爆炸荷載的能力。

李國強，瞿海雁[5]等通過對12個鋼管混凝土柱試件進行現(xiàn)場爆炸試驗，以研究鋼管混凝土柱的抗爆性能。試驗中以炸藥當量、炸藥放置距離、軸壓比、混凝土強度等級和含鋼率為控制參數(shù)，研究不同參數(shù)對鋼管混凝土柱抗爆性能的影響。試驗結(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；隨著混凝土強度等級、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]等以炸藥當量和鋼管壁厚為控制參數(shù)，進行了8根大尺寸圓鋼管及方鋼管混凝土柱的爆炸試驗。得到了炸藥爆炸沖擊波的壓力時程曲線，分析了鋼管混凝土柱的位移和應變變化，并對破壞模式進行了研究。試驗結(jié)果表明：炸藥當量較小時，鋼管混凝土的超壓時程曲線的變化趨勢與典型的爆炸沖擊波超壓時程曲線非常相近，試件均處于彈性狀態(tài)，沒有出現(xiàn)屈服。炸藥當量較大時，隨著炸藥當量的增加，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則，并基于此準則，在大量有限元模擬和結(jié)果分析的基礎上，提出一種通過數(shù)值模擬確定鋼筋混凝土柱P-I曲線的簡化方法，并對此法中的參數(shù)進行分析，結(jié)果表明增大柱深和提高混凝土軸心抗壓強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。

目前對于爆炸沖擊荷載作用下，鋼管混凝土構(gòu)件的動態(tài)力學性能的研究主要是從兩方面進行的:(1)試驗研究，主要是針對鋼管混凝土構(gòu)件在中低速沖擊荷載作用情況下和快速加載情況下的動態(tài)力學性能的研究;(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態(tài)響應。而研究鋼管混凝土柱受沖擊性能的試驗方法主要有:(1)引爆炸藥直接施加爆炸荷載;(2)利用落錘下落對構(gòu)件施加沖擊荷載;(3)利用輕氣炮施加高速沖擊荷載;(4)利用分離式霍普金森桿(簡稱SHPB)，對試驗構(gòu)件施加沖擊荷載。對試驗進行有限元數(shù)值模擬中，學者們較多地使用了LS-DYNA和ABAQUS。

三、防爆與防沖擊的安全措施

設計抵御外來爆炸或沖擊荷載的結(jié)構(gòu)，首先是保護這些結(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)生的破片對建筑物之外人員的傷害。最后是應將進入該建筑物的沖擊波效應盡量減少[8]。對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)鍵的連接點必須充分利用被連接材料的強度。因為建筑物通常是為可能發(fā)生的意外事故而設計的，并非是為想象可能出現(xiàn)的最嚴重的事故而設計的，所以建筑物必然會出現(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，使其具有較好的經(jīng)濟效益，因此在工程中得以大量應用，它的應用前景依然廣闊。盡管有眾多學者對鋼管混凝土做了大量科學研究，但是由于爆炸荷載及爆炸荷載作用下鋼管混凝土動態(tài)力學性能的復雜性，國內(nèi)外針對其爆炸荷載作用下的破壞模式、損傷評估均的試驗研究很少，今后有待于更進一步的試驗研究。當前沖擊荷載對結(jié)構(gòu)的影響日益突出的情況下，對鋼管混凝土抗沖擊性能的研究應更加深入，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。