高温后钢管混凝土抗多次冲击力学性能试验研究＊

霍静思，何远明，肖莉平，陈柏生

（1.湖南大学 教育部建筑安全与节能重点实验室，湖南 长沙 410082； 2.中建国际（深圳）设计顾问有限公司，深圳 518048）

近年来，随着城市化的飞速发展与建筑密度和高度的增加，建筑火灾事故频繁发生，造成了相当数量的倒塌事故；同时一些重要的建筑也面临着恐怖袭击可能造成的高温火灾爆炸或冲击威胁.因此，需开始考虑建筑结构火灾（高温）后的抗冲击设计和抗倒塌设计.

钢管混凝土不仅具有承载力高、塑性和韧性好、抗震性能优越、施工方便等优点，且具有良好的耐火性能、火灾后力学性能与抗火灾倒塌能力[1－2].因此，钢管混凝土也应具有良好常温下和火灾（高温）后抗冲击力学性能.国内外学者进行了混凝土在冲击荷载作用下的动态力学性能研究[3－6]，而钢管混凝土在爆炸和冲击荷载作用下的力学性能研究相对较少.陈肇元等[7]，Prichard和 Perry[8]用落锤实验机进行了钢管约束混凝土的冲击试验；Xiao等[9]进行了钢管混凝土与约束钢管混凝土SHPB和高速轻气炮冲击试验；李珠等[10]对16根钢管混凝土短柱进行了轴向冲击试验研究；郑秋[11]进行了钢管混凝土落锤冲击试验研究；Huo等[12]进行了15个高温下钢管混凝土SHPB抗冲击性能试验研究；任晓虎等[13]进行了高温后钢管混凝土短柱落锤动态抗冲击试验研究.上述试验结果均表明，钢管混凝土无论是在常温下还是高温下（后）均具有良好的抗冲击性能，这主要是由于组成钢管混凝土的钢管和核心混凝土之间相互贡献、协同互补、共同工作[1]，使之具有更好的高温下（后）抗冲击力学性能.

本文采用分离式霍普金森压杆（Split Hopkinson Pressure Bar，SHPB）装置进行高温后钢管混凝土的多次抗冲击性能试验研究，研究其高温后抗重复冲击力学性能，为该类结构高温（火灾）后抗冲击和抗倒塌评估与修复加固设计提供依据.

1 试验概况

1.1 试件设计与加工

共进行了20个钢管混凝土SHPB多次抗冲击试验，主要考察多次冲击对高温后钢管混凝土抗冲击力学性能的影响，试验详细情况见表1.为使试件在冲击加载过程中沿长度方向应力分布均匀，试件长度必需足够短；但试件如果太短，试件与压杆之间的摩擦对试验结果有显著影响，导致强度明显的增加[4].Davies和 Hunter[5]建议最优长径比L／D＝（3υ／4）1／2，其中υ为材料泊松比，一般可取L／D＝0.5.因此，在本次试验中试件的长径比取为0.5.

钢管采用直径Φ70mm×5mm的Q235无缝钢管，在车床机械加工成壁厚为2mm长为0.5m的钢管，将其一端用AB胶贴在光滑平板上，再分层浇筑混凝土，养护28d后再将试件机械加工成设计高度的试件.为保证试件端面平整，对试件端面进行打磨，导致各个试件高度存在少许偏差，如表1所示.采用C35混凝土，由于试件尺寸较小，粗骨料最大粒径参照《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2002）规定选粗骨料最大粒径为15mm的碎石，水的质量分数为0.37，配合比为：mc∶mw∶ms∶mG＝1∶0.37∶0.80∶1.87.钢材屈服强度和极限强度分别为292MPa和447.89MPa，混凝土28d立方体抗压强度为35.6MPa.

表1 试验参数及主要试验结果Tab.1 Summary of the test and test results

1.2 试验装置与试验方法

高温后钢管混凝土抗冲击试验在湖南大学建筑安全与节能教育部重点实验室进行，首先采用文献[14，15]所述高温炉对试件进行升温，升温速度为10℃／min，升温至如表1所示的设定温度后，再恒温3h，然后在炉内自然降温至室温，将试件移置干燥处.由于高温加载设备限制，升温时未对试件进行加载；根据文献[14，15]进行的高温全过程作用后钢管混凝土短柱轴压力学性能试验和钢管混凝土足尺结构柱滞回力学性能试研究结果，可认为本文试验结果能较真实地反映实际结构钢管混凝土柱在有约束状态下经历高温后的抗冲击力学性能.随后分别采用压力实验机和SHPB试验装置进行静态压缩和动态压缩抗冲击试验.

SHPB压杆试验装置包括：压杆、测量系统、数据采集系统和数据处理系统，该试验装置详细描述见文献[12].本次试验所采用的为直径74mm的SHPB压杆，子弹长为800mm.试验时，在杆端面和试件的两端面涂上凡士林，将试件安置在入射杆和透射杆之间，并严格对中；便可对气枪充气，达到指定气压0.8MPa后，释放撞击杆进行冲击，撞击速度为15.4m／s，并完成试验数据的采集.

SHPB压杆本质上是一种弹性杆，撞击杆以一定的速度撞击入射杆会产生一个弹性波在杆中传播，弹性波通过试件时，使试件发生变形.图1所示为一个典型冲击试验（CFT1a）测得的压杆上的入射波、反射波和透射波.基于压杆的一维弹性波理论以及应力沿试件轴向均匀分布的假设，可以得到试件的平均应力、平均应变以及应变率与SHPB压杆的入射波、反射波和透射波之间的关系，详细公式见文献[12].利用试验记录的加载脉冲，可得到应力、应变和应变率动态时程曲线，用以研究高温后钢管混凝土动态力学性能.图2所示为CFT1a测得的典型的应变、应力和应变率时程曲线与应力－应变曲线.

图1 典型试验测得的电压波形图（试件CFT1a）Fig.1 Typical voltage measurements（Specimen CFT1a）

图2 时程曲线及应力－应变曲线（试件CFT1a）Fig.2 Typical time history curves and stress versus strain curve（specimen CFT1a）

2 试件损伤及破坏形态

2.1 高温后钢管混凝土损伤情况

图3所示为试件高温试验后损伤情况.T＝100℃时，试件形态与常温时相似，无明显变化；T＝300℃时，钢管端面略显蓝色，混凝土颜色变浅，呈青灰色，混凝土表面无明显裂缝；T＝500℃时，钢管端面泛红，混凝土呈灰白色，有少量微裂缝；T＝700℃时，钢管端面呈暗红色，混凝土泛红，有明显的裂缝.

2.2 多次冲击加载后试件的典型破坏形态

高温后钢管混凝土经历首次冲击后试件钢管和混凝土端面无明显变化，裂纹较细小；经过第2次冲击后，大部分试件钢管屈曲，端面混凝土裂缝增多、加深，且裂缝汇合形成较宽的裂缝；经过第3次冲击后，钢管屈曲程度加大，试件端面混凝土部分粗骨料被打裂，甚至脱落.随着试件所遭受的温度升高，在相同冲击程度的情况下，试件端面混凝土裂纹数量、宽度和深度有所增大，且钢管屈曲程度明显加剧.如图4所示为典型试件CFT7a和CFT1b经过3次冲击后的破坏形态.

图3 高温后钢管混凝土形态Fig.3 Appearances of CFT columns after exposure to high temperatures

图4 典型试件冲击后的破坏形态Fig.4 Failure modes of CFT specimens after impact loading

3 试验结果与分析

3.1 应力－应变关系

图5给出了高温后钢管混凝土第1次冲击荷载下应力－应变关系曲线.可见，高温后钢管混凝土应力－应变关系曲线的初始线性阶段较短，很快表现为明显的弹塑性，经历明显的屈服平台后均表现出明显的应力强化，仍具有较高的残余强度.随着温度的升高，高温后钢管混凝土强度和轴压刚度均明显降低，说明高温作用使钢管和混凝土材料性能明显劣化.对于常温下和100℃温度作用后钢管混凝土，在钢管屈服后的应力强化程度明显低于经历300℃，500℃和700℃高温作用后试件的应力强化程度，这可能是由于钢材经历较高温度后强化模量高于常温和较低温度下的强化模量，也可能是由于核心混凝土高温后损伤明显，而钢管高温后强度有所恢复，导致钢管对核心混凝土约束作用有所增强，从而形成应力强化的现象.所有试件均表现出良好的塑性变形能力，说明其高温后仍具有良好的抗冲击性能.

图5 第1次冲击的应力－应变关系Fig.5 Stress vs.strain relations of CFT under the first impact loading

图6 多次冲击下试件的应力－应变关系Fig.6 Stress vs.strain relations under multi－impact loadings

图6所示为不同高温作用后钢管混凝土多次冲击后应力－应变关系曲线.可见，常温和高温后钢管混凝土均具有良好的抗多次冲击能力.在第2次冲击下，强度有所提高，变形显著降低.常温试件强度在第4次冲击后开始降低，而高温后试件强度则在第3次冲击后开始降低，但变形则明显增大，说明材料在多次冲击下的累积损伤程度不断增大.此外，多次冲击后的强度虽有所降低，但降低幅度不显著，基本不低于首次冲击时的强度，说明其具备良好的抗多次冲击能力，可用于有抗火灾倒塌与高温抗爆、抗冲击需求的重要结构和军事特种结构.

3.2 温度对强度的影响

[1]所述钢管混凝土极限强度取值方法，取弹塑性段终点对应应力为动态极限强度，图7给出了动态极限强度随温度变化的规律.可见，动态极限强度随温度的升高而降低，高温劣化作用显著降低了钢管混凝土动态强度.通过计算实测应力－应变曲线所包络的面积可确定试件在冲击过程中所消耗的能量，如表1和图8所示.可见，高温后钢管混凝土的耗能能力随着温度的升高有所增强.

图7 动态极限强度－温度关系Fig.7 Dynamic strength vs.temperature relations

图8 耗能能力－温度关系Fig.8 Energy absorption vs.temperature relations

3.3 冲击次数对强度的影响

图9为高温后钢管混凝土相对动态极限强度（即各冲击次数下极限强度与首次冲击强度的比值）随冲击次数变化的情况.可见，2次冲击下钢管混凝土强度较首次冲击时的强度大约提高50%，随后强度开始下降，但仍基本与首次冲击时的强度持平，说明高温后钢管混凝土具有良好的抗重复冲击能力.

图10给出了经受不同冲击次数后相对动态耗能（即各冲击次数下耗能与首次冲击耗能的比值）随冲击次数变化的情况.可见，第2次和第3次冲击下的耗能能力略有降低，但降低幅度不超过30%，经受第4次冲击时耗能能力又能恢复到与首次冲击时，说明高温后钢管混凝土具有良好的耗能能力.

图9 相对动态极限强度－冲击次数关系Fig.9 Dynamic strength vs.impact times relations

图10 动态耗能－冲击次数关系Fig.10 Dynamic energy absorption vs.impact times relations

4 结 论

通过对不同温度作用后钢管混凝土进行SHPB抗冲击试验研究，得到如下结论：

1）随温度的升高，高温后钢管混凝土极限强度明显下降，但仍有良好的变形能力和后期承载能力，即高温后钢管混凝土具有良好的抗冲击能力.

2）多次冲击下高温后钢管混凝土强度和耗能结果表明，高温后钢管混凝土具有良好的抗多次冲击的能力，说明钢管混凝土可用于抗火灾倒塌与高温抗爆和抗冲击的结构中.

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