多次侧向冲击下双层钢管混凝土结构的响应分析

2017-02-15钱旭东

振动与冲击 2017年2期

关键词：抗冲击冲击力双层

王宇，钱旭东

(1.中国中元国际工程有限公司，北京 100089； 2. 新加坡国立大学土木工程系，新加坡 117576)

多次侧向冲击下双层钢管混凝土结构的响应分析

王宇1，钱旭东2

(1.中国中元国际工程有限公司，北京 100089； 2. 新加坡国立大学土木工程系，新加坡 117576)

利用落锤试验研究了双层钢管混凝土组合结构在多次侧向冲击作用下的抗冲击性能，分析了该组合结构在侧向冲击下的变形机理，并获取了双层钢管混凝土试件在历次冲击过程中的冲击力时程曲线以及历次冲击后的整体变形和凹陷变形数据。试验数据表明：外层钢管及其厚度对该组合结构的抗冲击能力和整体弯曲变形的大小有显著影响；混凝土层有效限制了结构的凹陷变形。相比于传统的空钢管，双层钢管混凝土结构在多次冲击荷载作用下显示了良好的抗冲击性能——更小的整体和凹陷变形，以及较高的吸能能力。

双层钢管混凝土；多次侧向冲击；落锤冲击试验；抗冲击性能

空钢管由于其较低的流体流动阻力以及便于建造、运输和安装的特点在近海工程和结构工程中有广泛的应用，如海洋平台，大跨度空间结构，输油输气管道等[1]。随着我国经济建设的发展，大量的陆上及海洋输油输气管道被规划和建设。在欧美，超过50%的有记录的输油输气管道破坏是由捕鱼装置，挖掘设备和重物(如船锚)所形成的冲击荷载造成的[2]。传统输油输气管道的主要组成部分——空钢管的抗冲击性能是很有限的。工程界急需寻求解决办法以提高输油输气管道的抗冲击性能，减少管道破裂所造成的严重经济损失和环境污染问题。目前，规范及科研中常以结构的变形大小直观衡量输油输气管道的抗冲击性能[3]。

双层钢管混凝土结构由外层钢管，内层钢管以及两钢管之间的混凝土层组成(图1)，它在近年来的科学研究中显示了良好的静承载，延性和吸能能力[4-6]。该组合结构已开始应用于输电塔的柱子中，以提高结构整体的抗弯承载能力，减轻输电塔的自重[7-8]。WANG等[9-10]提出了将双层钢管混凝土结构应用于输油输气管道中以提高管道的抗冲击性能，并通过试验研究和有限元分析显示了在单次冲击荷载作用下该组合结构优良的抗冲击性能。利用落锤冲击试验，本文继续深入研究了在多次侧向冲击力作用下双层钢管混凝土结构的动力响应，分析了结构的变形机理，获取了历次冲击下结构的冲击力时程曲线和变形数据。研究表明双层钢管混凝土结构在多次冲击下仍具有良好的抗冲击性能，为今后该结构在实际工程中的应用提供了有力依据。

图1 双层钢管混凝土Fig.1 Concrete-filled double skin steel tube

1 试验

1.1 试件

本试验包含7个双层钢管混凝土试件和3个空钢管试件，试件编号及尺寸如表1所示。其中，“D”代表双层钢管混凝土试件；“H”代表空钢管试件；Do和to分别表示外层钢管的外直径和壁厚；Di和ti分别表示内层钢管的外直径和壁厚；tc代表混凝土层的厚度。所有试件的长度均为2 m。

表1 试件尺寸

试验所用钢管力学性能指标如表2所示。本试验中两层钢管间的填充材料采用的是一种新型轻质材料称为ULCC (Ultra Lightweight Cement Composite)[11]。ULCC具有很高的抗压强度(超过60 MPa)，但它的平均密度仅有1 460 kg/m3，约为普通混凝土密度的60%。这有效的减轻了双层钢管混凝土结构的自重，便于长距离输油输气管道的运输和安装。此外，由于没有粗骨料，降低了在两层钢管间泵送浇灌ULCC的难度，有利于保证ULCC的和易性以及该组合结构整体的工作性能。

表2 钢管的力学性能

1.2 试验装置

落锤冲击试验系统由7.5m高钢架，1 350 kg重落锤以及用高强螺栓固定在地面的刚性基座组成(图2)。冲击试验中，通过绞盘将重锤提升至预订冲击高度后释放(本试验中所有试件的冲击高度为3.4 m，仅试件H-3的冲击高度为1.0 m)。钢架上的导轨可以限制重锤两侧滑轮的运动轨迹，确保重锤的冲头能够垂直冲击到试件的跨中位置。重锤的冲头由高强钢制成，内部含有力传感器用来记录冲击力数据。冲击试验中，重锤滑轮与钢架导轨间存在摩擦，本试验在贴近试件上表面处布置激光系统，以测量准确的冲击速度v(表3)。试件两端简支在鞍式支座上，在冲击力作用下试件可以自由的绕支座转动，试件的净跨度为1.8 m。

图2 落锤冲击试验系统及试验装置Fig.2 Drop hammer impact test system and test set-up

2 试验结果与讨论

双层钢管混凝土试件在多次侧向冲击下的试验结果如表3所示。试件编号中括号里的数字表示该试件所承受的是第几次冲击。其中，7个双层钢管混凝土试件都承受了3次冲击；3个空钢管试件由于在单次冲击作用下已出现了较大变形，为避免冲击仪器损坏，它们仅承受了1次冲击。本文中7个双层钢管混凝土试件的第一次冲击以及3个空钢管试件的单次冲击采用的是文献[9]中的试验数据，以作对比分析。表3中的冲击速度v是由试验装置中的激光系统测定的，冲击能量Ei可根据动能定理求出。除了试件H-3，所有试件的冲击高度均为3.4 m，考虑到摩擦损失，冲击速度在7.5 m/s左右，冲击能量约为38 kJ。对于薄壁空钢管H-3(to=5.0 mm)，为了避免过大的冲击能量损坏试验仪器，冲击高度降低为1 m，冲击速度为4.23 m/s。表3中wt和wg分别表示试件跨中在受冲击后的总变形和整体弯曲变形，即试件上表面和下表面的变形(图2)，是在各次冲击后测量的；δ代表试件跨中在受冲击后的凹陷变形，即总变形与整体弯曲变形之差

δ=wt-wg

(1)

2.1 变形机理

双层钢管混凝土试件D-2和空钢管试件H-2在历次冲击后的变形模式(侧视图和顶视图)分别如图3和图4所示。试件D-2的外层钢管壁厚与试件H-2的钢管壁厚相同(to=6.3mm),在近似的冲击速度下空钢管H-2发生了严重的整体弯曲变形和凹陷变形。相比之下，双层钢管混凝土试件D-2在经历第一次冲击后整体弯曲变形和凹陷变形都明显较小，且凹陷变形集中发生在被冲击位置，即跨中处。这体现了双层钢管混凝土结构在单次冲击荷载作用下优秀的抗冲击性能。随着受冲击次数的增加，试件D-2的整体弯曲变形和凹陷变形也在增大，凹陷变形区有向试件两端发展的趋势(图3)，这是由于冲击次数的增加加剧了双层钢管混凝土结构的破坏。但即使在承受3次冲击作用后，试件D-2的整体弯曲变形和凹陷变形仍明显小于空钢管H-2(表3和图3,4)，双层钢管混凝土结构在多次冲击下仍体现了较好的抗冲击性能。图3和图4还显示了试件端部在侧向冲击力作用下的转动，整体弯曲变形越大，试件端部的转动越明显,转角(θ)的具体数值如表3所示。

表3 试验结果

图3 试件D-2受到多次冲击后的变形模式Fig.3 Deformation modes for specimen D-2 after multiple impacts

图4 试件H-2受到单次冲击后的变形模式Fig.4 Deformation mode for specimen H-2 after one impact

双层钢管混凝土和空钢管两种结构在侧向冲击荷载作用下的变形机理如图5所示。在双层钢管混凝土结构中，由于外层钢管和内层钢管的有效约束作用，混凝土层的抗压承载能力很高。当侧向作用冲击到该组合结构时，受冲击部位的混凝土层受压，产生强大的抗压承载力，进而明显限制了结构的凹陷变形。随后，外层钢管，混凝土层以及内层钢管作为一个整体由冲击部位向下传递冲击力，组合管发生整体弯曲变形(图5(a))。相比之下，空钢管结构的整体抗弯承载力以及局部承载能力仅由一层钢管提供，当钢管壁厚不大时(如to=6.3 mm或5.0 mm)，空钢管受压很容易产生明显的整体弯曲变形和凹陷变形。

图5 双层钢管混凝土及空钢管在侧向冲击荷载下的变形机理Fig.5 Deformation mechanism for concrete-filled double skin steel tube and hollow steel tube under transverse impact

2.2 冲击力时程曲线

本试验中的力传感器可以记录冲击过程中的冲击力P，部分试件在多次冲击下的冲击力时程曲线如图6所示。本文作者在文献[9]中定义了管状结构的冲击力时程曲线分为三个阶段：波动阶段，平台阶段，下降阶段。其中，平台阶段的冲击力能够较好的反应结构的抗冲击能力。双层钢管混凝土试件在多次冲击荷载作用下的冲击力时程曲线仍可大致分为以上三个阶段。随着冲击次数的增加，冲击力逐渐降低，这是由于钢管屈服区域扩大以及混凝土层破坏加重造成的。

(a) D-1及H-1 (b) D-2

图6(a)比较了双层钢管混凝土试件D-1在历次冲击过程中的冲击力时程曲线以及空钢管试件H-1在单次冲击下的冲击力时程曲线。两个试件具有相同的外钢管壁厚(to=10.0 mm)。即使遭受多次冲击，试件D-1的平台阶段冲击力仍明显高于试件H-1，体现了双层钢管混凝土结构良好的抗冲击承载能力。这一点同样可以由试件D-2和H-2(to=6.3 mm)的冲击力时程曲线看出，如图6(b)所示。双层钢管混凝土试件D-1和D-2具有相同的内层钢管(表1)，随着外层钢管壁厚从10.0 mm减少至6.3 mm，历次平台阶段冲击力都发生了明显的下降，如图6(a)和6(b)所示。这说明在双层钢管混凝土结构中，外层钢管的壁厚对结构在多次冲击下的抗冲击能力有显著的影响。试件D-2和D-5具有相同的外层钢管以及混凝土层厚度(to=6.3 mm；tc=33.4 mm)，仅内层钢管壁厚不同，如表1所示。随着内层钢管壁厚从5.0 mm增加到6.3 mm，第一次和第二次冲击的平台阶段冲击力有所提高，但并不明显，第三次冲击的平台阶段冲击力甚至出现下降(图6(b)和6(c))。这说明内层钢管壁厚对双层钢管混凝土结构在多次冲击作用下的抗冲击能力影响不大。但本文作者在文献[3]中的研究显示，内层钢管连同外层钢管能够有效的约束混凝土层，从而获得组合效应，显著提高该组合结构的抗冲击性能。试件D-5和D-7具有相同的外层钢管和内层钢管壁厚，仅混凝土层厚度不同(表1)。随着混凝土层由33.4 mm降低至19.1 mm，第一次和第二次冲击的平台阶段冲击力略有降低，第三次冲击的平台阶段冲击力甚至出现提高，如图6(c)和6(d)所示。这体现了混凝土层厚度对双层钢管混凝土结构在多次冲击下的抗冲击能力影响也是有限的。

2.3 整体弯曲变形

本试验中，历次冲击后试件下表面的变形被定义为结构的整体弯曲变形wg。部分试件在多次冲击后的跨中整体弯曲变形数据如图7所示。当双层钢管混凝土试件和空钢管试件具有相同的外钢管壁厚时，双层钢管混凝土试件的跨中整体弯曲变形明显较小(图7(a)和7(b))，说明外层钢管，混凝土层以及内层钢管作为一个整体时可有效提高结构的抗弯能力。对于双层钢管混凝土试件(D-1,D-2和D-3)，随着外层钢管壁厚的增加，结构的抗弯能力迅速提高，历次冲击后跨中整体弯曲变形也随之明显下降，如图7(a)所示。当双层钢管混凝土试件具有相同的外层钢管(D-2，D-5和D-7)，内层钢管以及混凝土层厚度的增加会在一定程度上提高了结构的抗弯承载力，降低历次冲击后结构跨中的整体弯曲变形，如图7(b)所示。

图7 多次冲击后试件的跨中整体弯曲变形Fig.7 Global bending deformation at the mid-span for typical specimens after multiple impacts

对于某一特定的双层钢管混凝土试件，某一次冲击过程中所形成的整体弯曲变形等于该次冲击后试件的整体弯曲变形减去上一次冲击后试件的整体弯曲变形，即

Δwg,i=wg,i-wg,i-1

(2)

式中:Δwg,i表示的是第i次冲击过程中试件形成的跨中整体弯曲变形。wg,i和wg,i-1分别表示第i次和第i-1次冲击后试件的跨中整体弯曲变形。在本次试验中，i=1,2,3。由表3中的试验结果可以看出，7个双层钢管混凝土试件在每一次冲击过程中所形成的跨中整体弯曲变形都随着冲击次数的增加而增加。这说明结构的整体抗弯能力随着落锤的不断冲击而下降。

2.4 凹陷变形

本文中式(1)定义了管状结构在历次冲击力作用后的凹陷变形δ。部分试件在多次冲击后的跨中凹陷变形数据如图8所示。如2.1节讨论，在外层钢管和内层钢管有效的约束作用下，双层钢管混凝土结构中的混凝土层具有很高的抗压强度，能够有效提高结构的局部抗压能力，限制结构凹陷变形的发展。因此，双层钢管混凝土试件在多次冲击后的凹陷变形明显小于空钢管试件(图8)。外层钢管以及内层钢管壁厚的增加会在一定程度上提高结构的局部承载能力，降低结构在历次冲击后的跨中凹陷变形,如图7(a)和7(b)所示。但当双层钢管混凝土试件的混凝土层厚度从30 mm左右降低至19.1 mm时，试件D-7在历次冲击后的跨中凹陷变形明显高于其它6个双层钢管混凝土试件(表3)。这进一步说明了混凝土层在控制双层钢管混凝土结构在多次冲击下的凹陷变形上有显著作用。

(a) H-1, D-1,D-2和D-3 (b)H-2，D-2，D-5和D-7 图8 多次冲击后试件的跨中凹陷变形Fig.8 Local deformation at the mid-span for typical specimens after multiple impacts

类似于整体弯曲变形，对于某一特定的双层钢管混凝土试件，某一次冲击过程中所形成的凹陷变形等于该次冲击后试件的凹陷变形减去上一次冲击后试件的凹陷变形，即

Δδi=δi-δi-1

(3)

式中:Δδi表示的是第i次冲击过程中试件形成的跨中凹陷变形。δi和δi-1分别表示第i次和第i-1次冲击后试件的跨中凹陷变形。在本次试验中，i=1,2,3。与跨中整体弯曲变形不同的是，7个双层钢管混凝土试件在每一次冲击过程中所形成的跨中凹陷变形在大部分情况下都随着冲击次数的增加而减小(表3)。随着冲击次数的增加，夹在两层钢管之间的混凝土层很难进一步被压缩，混凝土层在多次冲击下仍能提供很强的局部抗压承载力。因此，结构更倾向于通过整体弯曲变形消耗掉大部分的冲击能量，导致跨中凹陷变形反而随着冲击次数的增加而减小。

2.5 吸能能力

本文作者在文献[9]中提出了用一个无量纲量——吸能系数EAC(Energy Absorption Capacity,EAC)来量化评价结构在冲击力作用下的吸能能力。在多次冲击作用下，结构的吸能系数EAC的定义为

EAC=Ea/(G·wt)

(4)

式中:Ea表示在冲击荷载作用下结构吸收的冲击能量。本文作者在文献[3]中利用有限元分析结果证实了在当前的试验条件下，整个冲击过程中的能量损失(包括落锤冲击后的反弹能量，冲击产生的热能和声能等)在5%以内。因此，本文忽略冲击能量的损失，认为试件吸收的能量等于落锤冲击前的动能，即Ei(表3)。G代表试件的总重量。Δwt表示试件在每一次冲击过程中试件的跨中总变形，如表3所示。TRAVANCA等[12]在最近的数值研究中证明在侧向冲击力作用下管状结构吸收的能量(即Ea)几乎随着其在冲击力下受压面的最大变形(即wt)线性增长，而与管状结构的变形模式，边界条件以及冲击物和管状结构之间的作用不存在太多相关。因此，吸能系数(EAC)能够合理的体现多次冲击作用下管状结构自身的吸能能力。

所有试件在历次冲击作用下的吸能系数(EAC)可由式(4)计算得出，如表3所示。部分试件在历次冲击过程中的吸能系数如图9所示。在第一次冲击作用下，双层钢管混凝土试件的吸能系数明显高于空钢管试件。随着冲击次数的增加，钢管出现了屈服，混凝土层出现了压坏和裂缝，导致双层钢管混凝土试件的吸能系略有所下降，但相比空钢管试件仍显示了较高的吸能系数。这充分说明了双层钢管混凝土结构在多次冲击作用下优秀的吸能能力和抗冲击性能。内外层钢管壁厚以及混凝土层厚度的增加会在一定程度上提高双层钢管混凝土结构吸能能力的提高，如图9所示。

(a) H-1, D-1, D-2和D-3 (b)H-2，D-2，D-5和D-7图9 多次冲击下试件的吸能能力Fig.9 Energy absorption capacity (EAC) for typical specimens under multiple impacts

3 结论

本文利用落锤试验，研究了双层钢管混凝土组合结构在多次冲击作用下的抗冲击性能，通过与空钢管结构的比较分析，得出了以下结论：

(1)由于双层钢管混凝土组合结构中的混凝土层被内外两层钢管有效的约束，混凝土层的抗压强度很高，进而有效提高了该组合结构的局部抗压能力，将凹陷变形限制在冲击位置周围较小的范围内。外层钢管及其壁厚对该组合结构整体的抗冲击能力和弯曲变形有着很大的影响。在侧向冲击力作用下，双层钢管混凝土结构显示了更合理的变形模式，有效利用了钢和混凝土两种材料性能。

(2)吸能系数(EAC)能够量化评价双层钢管混凝土结构在多次冲击作用下的吸能能力。

(3)随着冲击次数的增加，双层钢管混凝土结构的抗冲击能力和吸能能力逐渐降低，整体弯曲变形和凹陷变形也在逐渐增大，但仍表现出明显优于空钢管结构(仅受到单次冲击)的抗冲击性能。这充分说明双层钢管混凝土结构在多次冲击作用下仍具有良好的抗冲击性能，可以应用于输油输气管道等需要抗冲击的结构中。实际工程应用中可适当增加外层钢管和混凝土层厚度以提高结构的抗整体和凹陷变形能力，而由于内层钢管主要起约束混凝土层的作用，其壁厚可适当降低。

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Behaviour of concrete-filled double skin steel tubes under multiple transverse impacts

WANG Yu1, QIAN Xudong2

(1. China IPPR International Engineering Company Limited, Beijing 100089, China；2. Department of Civil and Environmental Engineering, National University of Singapore, Singapore 117576, Singapore)

Drop hammer impact test was carried out on concrete-filled double skin steel tubes to study the impact performance of this kind of composite structures under multiple transverse impacts. The deformation mechanism of the composite tubes was analyzed and the impact force-time history curves during each impact as well as the global and the local deformation data after each impact for the composite specimens were obtained. The experimental results show that the outer steel tube and its thickness influence significantly the impact resistance and the global bending deformation of the composite tube; the concrete layer restricts effectively the local deformation of the composite tube. Compared to traditional hollow steel tubes, concrete-filled double skin steel tubes demonstrate advanced impact performance with smaller global and local deformation but higher energy absorption capacity.

concrete-filled double skin steel tubes; multiple transverse impacts; drop hammer impact test; impact performance

新加坡国立大学一级学术研究基金项目(R-302-501-020-112)

2015-12-08 修改稿收到日期：2016-01-13

王宇男，博士，工程师，1987年8月生

TU317.2；TU398.9

10.13465/j.cnki.jvs.2017.02.001