內(nèi)襯空八邊形鋼管的混凝土組合柱耐撞擊性能

張凱航, 王 蕊, 趙 暉, 朱 翔

(1. 太原理工大學 建筑與土木工程學院, 山西 太原 030024; 2. 山西大學 土木工程系, 山西 太原 030013)

鋼管混凝土組合柱是由截面中部鋼管混凝土和鋼管外鋼筋混凝土組合而成的柱,如圖1所示.內(nèi)配多邊形鋼管混凝土組合柱是在實心鋼管混凝土組合柱的基礎(chǔ)上發(fā)展形成的一種新型組合柱,除具有承載力高和抗震性能強的優(yōu)點外,還具有自重輕、截面擴展好和動力性能更優(yōu)的特點.因此,近些年來,隨著現(xiàn)代化進程的加快,鋼管混凝土組合柱被大量應用于高鐵站房、橋梁隧道和超高層建筑結(jié)構(gòu)中.

目前,國內(nèi)外研究學者主要針對鋼管混凝土組合柱在靜力、抗震以及耐火等方面進行了研究[1-4],而鮮有組合柱在撞擊性能方面的研究.組合柱在服役過程中,難免會受到船舶和車輛的撞擊,從而導致整體性結(jié)構(gòu)框架倒塌破壞.相關(guān)事故屢有發(fā)生[5-7],已引起廣泛的關(guān)注.結(jié)構(gòu)柱的抗撞擊性能研究集中在鋼筋混凝土柱和鋼管混凝土柱.田力等[8]研究了撞擊質(zhì)量塊、初速度和鋼筋配筋率等參數(shù)對鋼筋混凝土柱動態(tài)響應的影響規(guī)律.朱翔等[9]進行了RC柱和外包鋼管加固RC柱在不同軸壓比下的抗沖擊試驗,通過ABAQUS軟件模擬分析,得知外包鋼管加固RC柱是一種有效的抗沖擊加固措施,為工程實際運用提供了參考.Tachibana等[10]通過試驗研究了碰撞撞擊荷載下鋼筋混凝土柱的破壞模式.Bambach等[11]分析了鋼管混凝土有關(guān)力學性能的研究現(xiàn)狀,研究表明鋼管混凝土具有良好的承載力和抗撞擊性能.王丙斌等[12]以中空夾層鋼管混凝土柱為研究對象,討論了低速撞擊下內(nèi)配多邊形率對構(gòu)件的耐撞性能影響,得知內(nèi)配多邊形率在0～0.6的范圍內(nèi)時,構(gòu)件具有良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)固性.朱翔等[13]利用MSC.MARC有限元軟件對鋼骨混凝土柱的抗撞擊性能進行了分析,得知相同試驗工況下,鋼骨混凝土柱的抗撞擊性能優(yōu)于鋼筋混凝土柱.但是,國內(nèi)外研究者對于內(nèi)襯八邊形鋼管混凝土組合柱耐撞擊性能的研究較少.由于這種截面形式的組合柱已被大量應用于工程結(jié)構(gòu)，因此有必要對內(nèi)襯八邊形鋼管混凝土組合柱耐撞擊性能進行研究.

本次所研究的內(nèi)襯八邊形鋼管混凝土組合柱截面形式綜合考慮了鋼筋混凝土抵抗剪切變形和鋼管混凝土抵抗彎曲變形的優(yōu)點,截面形式如圖1c所示.賈志路等[14]對鋼管混凝土組合柱耐撞擊性能進行了初步研究,本次基于此研究,深入分析了邊界條件及撞擊能量、圓鋼管壁厚和軸壓比等因素對試件耗能體系的影響.本次研究可為該類構(gòu)件的設(shè)計和施工提供參考.

1 試驗概況

1.1 試驗裝置

為研究組合柱在撞擊作用下的受力特征,采用太原理工大學結(jié)構(gòu)實驗室的落錘試驗機對組合柱進行撞擊試驗,試驗裝置如圖2a所示.落錘試驗機主要由電葫蘆、落錘、試驗壓梁以及落錘保護裝置和軸力加載系統(tǒng)共同組成.撞擊能量采用落錘自由落體下的重力勢能.撞擊力傳感采集裝置置于落錘中部,與錘頭和配重共同組成落錘，具體參數(shù)見表1.同時,試驗裝置設(shè)計固定約束的試驗壓梁,通過地錨螺栓進行錨固.設(shè)計有軸壓的構(gòu)件在受軸壓一側(cè)的上、下表面放置滾動滑塊,另一端的上、下表面放置與滾動滑塊等厚度的鋼墊板,以保證試件在同一平面.軸力加載系統(tǒng)主要由軸力傳感器、蝶形彈簧組和油壓千斤頂3部分構(gòu)成,如圖2b所示.蝶形彈簧組通過儲存彈性勢能可有效地避免撞擊試件時軸向力迅速卸載的情況[15].試驗裝置總裝示意圖如圖3所示.

表1 落錘構(gòu)造參數(shù)Tab.1 Structural parameters of drop-weight

1.2 試件設(shè)計

共設(shè)計制作10個試件,試件總長1 800 mm,試件有效長度1 200 mm,截面設(shè)計尺寸400 mm×400 mm.其中,試件縱筋采用上下層3@15.6 mm,中間層2@15.6的布置方案,箍筋具體布置方式如圖4a所示.試件兩端各有225 mm長的套管以便于支座處用夾具夾持,右側(cè)超出夾持段150 mm用以施加軸壓力.試件中心內(nèi)置多邊形鋼管,總長1 800 mm,外周長630 mm,厚3.75 mm.截面四角預置4根總長1 800 mm,直徑76 mm,壁厚3.68 mm的圓鋼管混凝土柱,鋼管混凝土柱鋼管外邊緣距外包混凝土邊緣42 mm.試件最后通過縱筋和箍筋綁扎,共同澆筑而成.試件左右兩端有效蓋板厚度為20 mm,上下套管壁厚為2 mm.試件具體尺寸如圖4a所示,剖面圖如圖4b所示.

1.3 試件材料

鋼管和鋼板的材性性能參數(shù)由標準拉伸試驗確定,試件鋼材材料性質(zhì)見表2.混凝土是由商品混凝土廠按照GB/T 50081—2002 《普通混凝土力學性能試驗方法標準》制得,采用標準試驗方法測得鋼管內(nèi)外混凝土立方體抗壓強度分別為71.5 MPa和62.6 MPa.

表2 試件鋼材材料性能Tab.2 Mechanical properties of tested steel

1.4 試驗過程及結(jié)果

撞擊過程中記錄了撞擊力、軸向力和跨中撓度值等相關(guān)數(shù)據(jù),并觀測了試件最終變形.其中,撞擊力時程和軸壓力變化分別由安裝在錘頭的撞擊力傳感器和安裝在蝶形彈簧與試件之間的軸力傳感器[16]測得,跨中撓度時程由高速攝像采集記錄,拍攝速度取為4 000幀/s.所有數(shù)據(jù)由采集頻率為50 Hz的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集和記錄.試驗結(jié)果記錄見表3.

表3 試件列表和試件耗能結(jié)果Tab.3 List of specimens and results of corresponding energy consumption

代表相同工況的不同試件；A代表加軸力的工況,之后第一個數(shù)字1和2分別表示軸壓比為0.1和0.2,第二個數(shù)字表示撞擊高度,m.例如：FF2-1表示兩端固支,撞擊高度為2 m的1號工況;試件A12表示軸壓比為0.1,撞擊高度為2 m的工況.

2 試驗結(jié)果及破壞形態(tài)分析

2.1 變形發(fā)展全過程圖

圖5給出了試件在撞擊高度為2 m時的變形發(fā)展全過程圖.

圖5a中給出了兩端固定,撞擊高度H=2 m時的變形全過程圖.2.0 ms時跨中出現(xiàn)如箭頭指示的垂直受彎裂縫,支座處出現(xiàn)斜拉裂縫.7.0 ms時,跨中受彎裂縫明顯增多,裂縫分布有向撞擊點區(qū)域集中的趨勢,但跨中區(qū)域斜裂縫和垂直裂縫寬度較小,整體變形不顯著.

圖5b中給出了兩端簡支,撞擊高度H=2 m時的變形全過程圖.2.0 ms時跨中底部出現(xiàn)多條豎向垂直裂縫和斜拉裂縫.7.0 ms時裂縫分布集中在試件支座處,裂縫大體平行,并且多條斜裂縫橫向貫通.試件最終破壞情況,以撞擊接觸區(qū)和支座處局部混凝土剝落為主.對于有軸向力的工況,撞擊高度H=2 m時,裂縫發(fā)展全過程圖由圖5c和圖5d所示,與圖5a相比,跨中底部豎向裂縫和支座端處斜裂縫個數(shù)減少,無明顯變形,整體性好.同時,隨著軸壓比的提高,試件的破壞程度降低.

圖6給出了試件在撞擊高度為5 m時的變形發(fā)展全過程圖.圖6a中給出了兩端固定,撞擊高度H=5 m時的變形全過程圖.2.0 ms時多條豎向彎曲裂縫與斜拉裂縫橫向貫通,呈現(xiàn)彎曲破壞類型.7.0 ms時新增裂縫較少,試件耗能主要以原有裂縫擴展為主.最終,跨中底部和支座端部的混凝土出現(xiàn)受拉開裂,剝落嚴重,底部縱筋明顯外凸.

圖6b中給出了兩端簡支,撞擊高度H=5 m時的變形全過程圖.2.0 ms時豎向彎曲裂縫和斜拉裂縫數(shù)量明顯增多且寬度較大,撞擊接觸區(qū)裂縫較多.7.0 ms時破壞情況加劇,同時,由于撞擊局部效應與結(jié)構(gòu)整體效應的共同作用,導致撞擊接觸區(qū)出現(xiàn)多條層狀橫向裂縫,試件耗能以新增豎向裂縫和斜裂縫擴展為主.對于有軸向力的工況,撞擊高度H=5 m時,裂縫發(fā)展全過程圖由圖6c和圖6d所示.2.0 ms時跨中豎向裂縫減少,且寬度較小,以正截面受彎破壞為主.7 ms時,支座端處斜裂縫增多且寬度較大,以層狀分布,斜截面受剪破壞為主.隨著軸壓比的增大,試件下部混凝土剝落高度降低,分布均勻,破損情況較好.

試驗結(jié)束后,對試件進行剖切,得出試件內(nèi)部最終的破壞形態(tài)如圖7所示.

圖7給出了典型構(gòu)件SS5和A25的內(nèi)部破壞形態(tài).其中編號(1)和(2)為試件外包混凝土的破損形態(tài)示意圖,編號(3)和(4)為鋼管的變形形態(tài),編號(5～7)為鋼管內(nèi)核心混凝土的開裂形態(tài).圖中可見,撞擊荷載作用后,試件整體彎曲變形,鋼管未見局部屈曲；鋼管內(nèi)核心混凝土出現(xiàn)細微裂縫,圓鋼管-混凝土界面無滑移.與試件SS5相比,由于預加軸力產(chǎn)生的壓拱效應使得試件A25的鋼管混凝土部件整體彎曲變形較小.

由裂縫全過程圖和內(nèi)部破壞形態(tài)可見：

1) 當撞擊高度H=2 m時,外層鋼筋混凝土在跨中及支座處裂縫較少,混凝土破壞集中在試件支座處,試件整體變形不大.當撞擊高度H=5 m時,外層鋼筋混凝土剝落嚴重,主要集中在撞擊接觸區(qū)和底部支座處,鋼管發(fā)生向下彎曲,殘余撓度值小于9 mm.

2) 鋼管內(nèi)核心混凝土形狀完整,跨中底部出現(xiàn)些許受拉裂縫,鋼管內(nèi)外混凝土接觸界面未見明顯滑移.鋼管混凝土和空八邊形鋼管的變形情況與外包鋼筋混凝土的變形較為一致,表明外層鋼筋混凝土可與鋼管混凝土和空八邊形鋼管相互協(xié)調(diào),共同工作.

3) 組合柱在撞擊能量較高的情況下,截面邊角部位的鋼管混凝土提高了試件的抗彎能力,充分發(fā)揮了鋼筋混凝土和鋼管混凝土共同受力的特點,呈現(xiàn)彈塑性破壞.

2.2 撞擊力時程曲線

圖8給出了撞擊力時程(F-t)曲線.從圖中可看出,撞擊力持續(xù)時間隨撞擊高度和軸壓比的增加而顯著增長,與2 m撞擊高度相比,H=5 m時固定和簡支撞擊作用時間分別增長了13.7%和28.4%,在軸壓比為0.1和0.2的情況下,撞擊作用時間分別增長了62%和60%.同時,撞擊力在峰值附近總會經(jīng)歷一個負向峰值的過程.這是由于落錘接觸試件的瞬間加速度值過大,導致短時間內(nèi)慣性力大于撞擊力,出現(xiàn)負向峰值[17];最后,由于落錘底面和試件表面瞬間接觸不均,引起個別試件存在多次峰值的情況.

2.3 跨中位移時程曲線

圖9a和圖9b為試件在相同撞擊工況下得到的跨中位移時程曲線.曲線表明,試驗結(jié)果有較好的可重復性.簡支約束條件如圖9d和圖9e所示,相同撞擊高度,跨中最大位移在簡支條件下的位移量是固端約束條件下的1.2～1.4倍,表明兩端固支組合柱較兩端簡支組合柱具有更好的抗變形能力.圖9c和圖9f為相同撞擊高度下軸壓比不同的位移時程曲線.由圖可知,隨著軸壓比的提高,殘余撓度值波動平穩(wěn).表明隨著撞擊高度的增加,0.1和0.2的軸壓比值對組合柱的跨中位移值的影響較小.這與文獻[18]中鋼管混凝土的研究結(jié)果類似.針對文獻[14]中,圓鋼管壁厚值為t=5.8 mm的撞擊構(gòu)件,圖9g、圖9h和圖9i分別給出了本文圓鋼管壁厚值t=3.68 mm的構(gòu)件與文獻[14]中對應構(gòu)件的位移時程曲線對比圖.從圖中可以看出,相同撞擊工況下,構(gòu)件隨圓鋼管壁厚值的減少跨中殘余撓度值增大,表明在一定參數(shù)范圍內(nèi),圓鋼管壁厚的提高,減少了側(cè)移變形,增強了構(gòu)件的耐撞擊性能.

總體上,本次試驗具有較好的可重復性；撞擊高度、邊界條件和軸壓比等因素對跨中位移的影響逐步減小.

2.4 撞擊全過程曲線圖

結(jié)合撞擊力時程和跨中位移時程曲線,可得到表征試件耗能特性的撞擊全過程曲線,典型構(gòu)件全過程曲線如圖10所示.

由全過程圖可知,撞擊作用時間較短,而結(jié)構(gòu)受荷運動周期較長,是一種初始由撞擊荷載驅(qū)動的有附加質(zhì)量結(jié)構(gòu)的動力響應.

2.5 試件能耗比分析

本次僅研究第一次撞擊過程中,撞擊力-位移曲線主峰波形下所圍面積占撞擊能量總值的百分比,用試件變形耗散的能量Ea和撞擊能量E的比值即Ea/E(β)來表征在撞擊過程中試件耗散總能量的比例,耗散能量值見表3.能耗比統(tǒng)計結(jié)果見圖11.

從圖中可見,能量耗散的積分計算與撞擊力值和跨中撓度位移值有關(guān),且撞擊力值受慣性力因素的影響較大,故從撓度角度分析得,在撞擊能量一定的條件下,與簡支約束相比,固端約束提高了試件側(cè)向變形剛度,H=2 m和H=5 m能量耗散比分別減少了36.9%和46.8%；同時,隨軸壓比的提高,能量耗散比分別減少了35.9%和26.7%.最后,通過引用文獻[14]中圓鋼管壁厚值為5.8 mm的試件,繪制出固定端約束下,不同圓鋼管壁厚值對試件耗散能量占比的影響情況,如圖11c所示.試驗數(shù)據(jù)表明：在撞擊高度相同的工況下,能耗比隨邊界約束條件的增強而下降；隨軸壓比的增大而減??；固定約束條件下,能耗比隨內(nèi)置圓鋼管壁厚值的增大分別增大18.7%和14.7%.

3 結(jié)論

在本次試驗參數(shù)范圍內(nèi)可得到如下結(jié)論：

1) 在撞擊過程中,外包鋼筋混凝土與內(nèi)置八邊形鋼管和鋼管混凝土可相互協(xié)調(diào),共同工作,試件整體變形較小.

2) 試驗具有良好的可重復性,同時,隨撞擊能量的增大,邊界條件對跨中位移的影響更加顯著.簡支條件下的位移量約為固定約束下的1.2～1.4倍,表明固支約束條件較簡支約束條件提高了組合柱的抗變形能力.

3) 在本次試驗中,0.1和0.2的軸壓比對撞擊持續(xù)時間和跨中位移值的影響不顯著.

4) 在承受撞擊荷載作用后,得到撞擊高度對試件耗能能力的影響最為顯著,邊界條件次之,軸壓比影響較弱,圓鋼管壁厚值影響最弱.

致謝：本文得到山西省優(yōu)秀青年基金項目(201701D211006)的資助，在此表示感謝.