钢管混凝土构件冲击力学性能研究综述

【摘要】二、钢管混凝土构件的冲击性能研究 在国外，Lahlou等[1]采用MTS试验机进行了加载速率为3.6×10-3s-1～6.5×10-3s-1 的钢管约束普通混凝土和高强混凝土的轴压试验，实验考虑了混凝土强...

摘要：根据国内外对钢管混凝土构件抗冲击力学性能的研究成果，介绍了钢管混凝土构件的冲击试验研究及理论、数值模拟研究的情况，并根据当前研究的不足，指出在冲击损伤后钢管混凝土构件的剩余承载性能及抗震性能方面还有待进一步研究。

关键词：钢管混凝土；冲击；力学性能；剩余承载性能；抗震性能

一、概述

建筑结构在服役期间不可避免地要受到意外撞击，如船舶因偏离航线或漂浮物对桥墩的撞击，失事飞机对高层或超高层建筑的冲击，汽车对房屋结构和高架桥墩的意外碰撞等。1964 年 5 月发生的 Maracaibo桥灾难性撞击事故、前苏联切尔诺贝利核电站由于初期爆轰物冲击电站结构造成核泄漏事故、2001 年震惊全球的美国 911 事件世贸中心双子楼垮塌事故、2007年广东九江大桥被撞塌事故、2008年在建的国内第三长跨海金塘大桥坍塌事故等，均是在冲击荷载作用下引起破坏。钢管混凝土结构作为重要的结构承重构件，常用作建筑物的梁、柱承重构件、高架路桥墩等，当遭受意外的撞击作用时，一旦发生破坏将引起生命和财产的巨大损失。在日常生活中经常会遇到车辆对建筑物承重构件的撞击事件，如果在设计阶段没有考虑该类冲击荷载的作用，则可能在建筑物服役期间发生突发性的破坏。随着钢管混凝土在建筑、交通、国防、核电站等领域的广泛使用，对钢管混凝土的冲击性能研究显得愈加重要。

近年来，部分学者对钢管混凝土构件的冲击力学性能进行了一些试验和理论探讨，并取得了一定的研究成果。本文结合近年来国内外有关钢管混凝土结构的冲击性能研究情况，介绍钢管混凝土结构冲击力学性能方面的试验、数值模拟及理论研究成果。

二、钢管混凝土构件的冲击性能研究

在国外，Lahlou等[1]采用MTS试验机进行了加载速率为3.6×10-3s-1～6.5×10-3s-1 的钢管约束普通混凝土和高强混凝土的轴压试验，实验考虑了混凝土强度、钢管约束程度和加载速率的影响，发现随着约束程度的提高和混凝土强度的降低，动态抗压强度和静态抗压强度的比值增加，同时试件的延性明显提高，耗能能力有很大改善；Prichard和Perry[2]利用落锤冲击试验机对70根钢管约束的混凝土柱进行了轴向冲击试验，研究结果表明，当约束混凝土的套管管壁有足够的厚度能够约束混凝土的侧向膨胀时，接触力和混凝土的冲击强度都会得到相当大的提高；Bambach 等[3]对三种不同截面尺寸完全固支的空心截面方钢管梁和方钢管混凝土梁进行了跨中低速横向冲击试验，试验结果显示方钢管混凝土梁由于填充的混凝土限制局部变形发展而能承受较大的横向冲击荷载；随后，Bambach[4]通过试验和有限元分析了不锈钢钢管混凝土柱在横向冲击下的力学行为，考察了轴向力、转动约束、轴向约束、钢管材料性能和混凝土填充等因素的影响，提出了针对钢管混凝土构件在横向冲击作用下的设计方法；Yiusuf B等[5]通过试验研究了静力和冲击荷载作用下空心不锈钢管柱、不锈钢管混凝土柱的力学性能，在试验基础上应用有限元分析软件ABAQUS建立了数值分析模型，研究结果表明：与普通钢管混凝土柱相比，不锈钢钢管混凝土柱的承载力和延性都有相应的提高。

在国内，80年代陈肇元院士[6]利用快速加载试验机对钢管混凝土柱进行了快速加载试验，试验发现快速加载下与静载时相比，钢管混凝土柱具有良好的延性和抵抗暂时作用的爆破荷载的能力；Xiao[7]和Shan[8]利用高速轻气炮进行了钢管混凝土冲击荷载下的试验研究，研究结果表明，受弹体冲击后，试件的冲击端的残余变形最大，侧向约束能改善钢管混凝土柱在冲击荷载下的力学性能；王蕊等[9-10]对三种不同套箍系数的钢管混凝土简支梁在侧向冲击荷载下的动力响应进行了试验研究，试验得到了试件破坏模式和冲击力时程，并在试验基础上通过理论推导，给出了钢管混凝土梁在低速冲击下整体变形的计算公式；文献[11]通过试验分析了侧向冲击下的钢管混凝土构件的失效模式和冲击力时程，试验考虑了轴力大小、约束效应和冲击能量的影响，在试验基础上，建立了考虑钢筋和混凝土材料应变率效应、钢管和核心混凝土间相互作用以及外部钢管对核心混凝土约束效应的有限元分析模型；涂劲松等通过落锤冲击试验考察了简支钢管混凝土构件在冲击荷载下的跨中挠度，结合数值分析得到了跨中挠度随约束效应系数和冲击能量的变化关系曲线，并给出了冲击荷载下简支钢管混凝土构件跨中挠度的实用计算公式；李珠等利用落锤冲击试验机对不同端部约束的钢管混凝土构件进行了侧向冲击试验，得到了冲击力时程及跨中的侧向位移，并对构件的破坏形态进行了分析，研究结果表明，钢管混凝土构件具有良好的冲击性能；任够平等[12]通过试验和数值分析对钢管混凝土柱在侧向冲击荷载作用下的横向挠度和挠曲线进行了测试和计算机仿真，试验获得了试件跨中最终挠度随冲击能力、套箍系数和约束类型的变化数据；瞿海雁等在前人试验的基础上讨论了钢管混凝土构件在侧向冲击作用下支座和跨中“塑性铰”的形成机制及特征，并提出了圆钢管混凝土构件在侧向冲击作用下的简化分析模型；侯川川等考虑了钢材和混凝土应变率效应以及钢管和混凝土界面的接触关系，建立了钢管混凝土构件在低速横向冲击下的有限元模型，并讨论了冲击能量、截面含钢率、钢材屈服强度和混凝土强度等参数与冲击力-时间曲线的关系；郑红勇借助落锤式冲击实验机，对两端固定边界条件下，两种壁厚的钢管混凝土梁进行了侧向撞击试验，研究指出，钢管混凝土构件具有良好的延性及抗冲击性能；王洪欣等采用落锤冲击试验和有限元方法对空心钢管混凝土构件的抗侧向冲击性能进行了研究，研究指出提高材料的强度、加强构件的边界约束可以提高构件的抗冲击性能，而空心率增大会降低构件的抗冲击性能；张晨利用ANSYS-DYNA进行了钢管混凝土短柱抗冲击性能有限元分析研究，结果表明，钢管混凝土具有较高的冲击强度、屈服后承载能力和塑性变形能力；通过理论计算和有限元方法分析了悬臂钢管混凝土构件在横向冲击荷载下的力学性能，结果表明，当套箍系数、材料强度和尺寸一定时，构件最终挠度与冲击能力成正比；张望喜等采用轻气炮实验装置进行了6个钢管混凝土柱、2个外包碳纤维钢管混凝土柱模型的冲击试验及模拟分析计算，研究结果表明，冲击荷载作用下试件残余变形、应变变化直接与弹体冲击速度有关；外包碳纤维对试件的抗冲击性能有一定的改善；霍静思等[13]通过落锤冲击试验对钢管混凝土梁在高温下、钢管混凝土短柱在高温下和高温后进行了冲击试验，研究结果表明，钢管混凝土在高温下、高温后具有良好的抗冲击能力。

三、冲击损伤后结构剩余承载性能研究

目前，冲击损伤后钢管混凝土构件的剩余承载性能研究暂未见相关文献报道。而在混凝土构件方面，少数学者运用数值分析方法进行了初步的探讨，Bao和Li[14]通过有限元软件ANSYS/LS-DYNA分析了爆破冲击荷载作用下钢筋混凝土柱的动力反应及其剩余轴向承载力，考察了配箍率、纵向配筋率、轴压比和柱截面尺寸比等因素对剩余轴向承载力的影响，在大量计算分析的基础上给出了剩余轴向承载力的回归公式。

四、结语

本文总结了国内外对钢管混凝土构件抗冲击力学性能的研究成果，目前钢管混凝土的冲击性能研究还存在以下两方面不足：

（1）钢管混凝土构件的抗冲击性能研究大多是定性研究，虽然部分学者给出了冲击荷载下构件的挠度、冲击力的简化计算方法，但是适用范围有限。影响因素考虑较为全面、适用范围较广的钢管混凝土构件极限冲击承载力的实用计算方法有待进一步研究。

（2）尚未见到有关横向冲击损伤后钢管混凝土构件的剩余承载力和抗震性能的研究报道。大多数情况下，受横向冲击后钢管混凝土柱并未完全失效，还能继续承载，但受冲击损伤后钢管混凝土柱的力学性能可能发生较大的变化，其剩余承载性能充足与否将严重影响结构的安全使用及抗震安全性。为此，有必要对横向冲击损伤后钢管混凝土构件的剩余承载性能作深入的研究。

参考文献

[1] Lahlou K， Lachemi M， A tcin P C， et al. Confined high-strength concrete under dynamic compressive loading. Journal of Structural Engineering， 1999， 125（10）：1100-1108

[2] Prichard S J， Perry S H. The impact behaviour of sleeved concrete cylinders. The structural Engineer， 2000， 78（17）： 23-27

[3] Bambach M.R， Jama H， Zhao X.L， et al. Hollow and concrete filled steel hollow sections under transverse impact loads. Engineering Structures. 2008，30（10）：2859-2870

[4] Bambach M.R. Design of hollow and concrete filled steel and stainless steel tubular columns for transverse impact loads[J]. Thin-Wall Structures，2011，49（10）：1251-1260

[5] Yousuf M， Uy B， Tao Z， et al. Transverse impact resistance of hollow and concrete filled stainless steel columns[J]. Journal of Constructional Steel Research， 2013，82：177-189

[6] 陈肇元，罗家谦，潘雪雯.钢管混凝土短柱作为防护结构构件的性能. 清华大学抗震抗爆工程研究室科学研究报告集第 4 集.北京：清华大学出版社，1986，45-52

[7] Xiao Y， Zhang W X， Shan J H， et al. Impact Tests of Concrete Filled Tubes andConfined Concrete Filled Tubes， 6th International Conference on SHOCK &IMPACT LOADS ON STRUCTURES. Perth， W. Australia， 7-9 December2005，183-191

[8] Shan J H， Chen R， Zhang W X， et al. Behavior of concrete filled tubes and confined concrete filled tubes under high speed impact. Advances in structural engineering， 2007， 10（2）： 209-218

[9] 王蕊，李珠，任够平 等. 侧向冲击载荷作用下钢管混凝土梁动力响应的实验和理论研究[J]. 工程力学，2008，25（6）：75-80&93

[10] Wang R， Han L H， Hou C C. Behavior of concrete filled steel tubular （CFST） members under lateral impact： Experiment and FEA model[J]. Journal of Constructional Steel Research， 2013，80（1）：188-201

[11]任够平，李珠，王蕊.低速侧向冲击下钢管混凝土柱挠度研究[J]. 工程力学，2008，25（5）：170-175

[12]张望喜，单建华，陈荣 等. 冲击荷载下钢管混凝土柱模型力学性能试验研究[J]. 振动与冲击，2006，25（5）：96-101&195

[13] 任晓虎，霍静思，陈柏生. 火灾下钢管混凝土梁落锤冲击试验研究[J]. 振动与冲击，2012，31（20）：110-115

[14] Bao X L， Li B. Residual strength of blast damaged reinforced concrete columns[J]. International Journal of Impact Engineering， 2010，37（3）：295-308