钢骨混凝土构件抗冲击性能试验研究*

2019-12-11陆新征

爆炸与冲击 2019年11期

朱翔，刘宏，陆新征，王蕊

（1. 东南大学混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室，江苏南京 210018；2. 山西大学土木工程系，山西太原 030013；3. 清华大学土木工程安全与耐久教育部重点试验室，北京 100084；4. 太原理工大学建筑与土木工程学院，山西太原 030024）

钢骨混凝土构件具有承载力高、刚度大和延性好的特点，其抗震性能和抗火性能也较好[1]。因此，钢骨混凝土构件在高层结构、超高层结构和大跨空间结构等建筑中广泛使用。叶列平等[2]最早研究了钢骨混凝土柱的轴压比限值问题并进行了大量的静力试验研究。周颖等[3]对不同含钢率的钢骨混凝土连梁联肢剪力墙的抗震性能进行了试验研究。蒋晶[4]利用有限元软件ABAQUS 对T 形截面的异形钢骨混凝土柱侧向撞击性能进行了分析。张玲[5]对钢骨混凝土桥墩抗冲击性能进行了初步研究，对三根角钢混凝土桥墩和两根槽钢混凝土桥墩进行了抗冲击试验。朱翔等[6]利用有限元软件MSC.Marc 对结构中所使用的钢骨混凝土柱进行了抗冲击性能分析。以上研究表明钢骨混凝土构件的力学性能被广泛关注。

钢骨混凝土构件作为主要的承重构件在服役期间可能遭到汽车、火车和船舶等交通工具的撞击[7-9]，从而导致其损伤或者破坏。而现阶段国内外研究者对构件的抗冲击试验研究主要集中于钢管混凝土构件、钢筋混凝土构件和钢骨混凝土桥墩等。Yousuf 等[10]对比研究了空心不锈钢钢管和不锈钢钢管混凝土柱的抗冲击性能。Han 等[11]研究了侧向撞击作用下钢管混凝土柱的抗冲击性能。朱翔等[12-13]对比研究了钢筋混凝土柱、外包钢管加固RC 柱和新型截面复合柱的抗冲击性能。但是，钢骨混凝土的冲击破坏模式与钢管混凝土构件和钢筋混凝土构件都有所不同，需要深入研究对比。张南等[14]、陈佳佳等[15]最早对钢骨混凝土桥墩进行了水平撞击试验，分析了其抗冲击性能，但对比试件较少，不具有普遍性。上述研究中对建筑结构中常用的钢骨混凝土构件抗冲击试验研究较少，而钢骨混凝土构件作为建筑结构中主要的承重构件其抗冲击性能试验研究是十分必要的。

因此，本文采用落锤试验机对钢骨混凝土构件进行侧向撞击试验，通过变化冲击速度、轴压比和边界条件等参数对钢骨混凝土构件的抗冲击性能进行了深入研究，进而对比分析了不同参数影响下钢骨混凝土构件的抗冲击性能，从而全面掌握钢骨混凝土构件的抗冲击性能。

1 试验概况

1.1 试件设计

本试验设计了8 根完全相同的钢骨混凝土试件进行对比分析其抗冲击性能，试件信息如表1 所示。试件长度为1 800 mm，左侧支座固定试件长度为225 mm，右侧支座固定试件长度为350 mm，预留25 mm 为自由端施加轴力，则有效长度为1 200 mm。本次试验中钢骨混凝土试件截面尺寸设计为300 mm×300 mm。试件的内配十字型钢截面尺寸为200 mm×100 mm×9 mm×6 mm，纵筋直径12 mm，箍筋在支座加密区配置 ∅ 8@50，跨中配置为 ∅ 8@100，混凝土保护层厚度为20 mm。型钢采用Q345 低碳钢，纵筋采用HRB335 级钢筋，箍筋采用HPB300 级钢筋，混凝土设计强度等级为C40。试件左右两侧的钢盖板厚度为20 mm，以防止试件加载轴力时混凝土局部破坏。钢骨混凝土试件设计详图如图1 所示。

表 1 钢骨混凝土试件信息及试验结果Table 1 SRC specimen information and test results

图 1 钢骨混凝土试件设计详图（单位：mm）Fig. 1 Design details of SRC specimen (unit: mm)

1.2 材料力学性能

每个钢骨混凝土试件进行浇筑的同时预留3 个150 mm×150 mm×150 mm 的标准立方体试块，在进行钢骨混凝土抗冲击试验的同时测得混凝土立方体抗压强度为44.84 MPa。采用标准拉伸试验方法，测得钢骨混凝土构件所用H 型钢和钢筋的相关力学性能参数，如表2 所示。

表 2 钢材的力学性能Table 2 Mechanical properties of the steel

1.3 试验装置

试验在超重型落锤试验机上完成，试验装置如图2 所示。该试验机有效高度为5 m，相应冲击速度为9.9 m/s，落锤总质量可达到1.16 t，为国内外同类落锤试验装置中最重落锤质量。本次试验最大冲击速度为9.39 m/s，这是根据文献[16]中列车脱轨后侧向撞击站房柱的横向撞击速度确定的。试验中落锤总质量恒定为1 158.7 kg（约为1.16 t），锤头底部为长方体（300 mm×300 mm×200 mm），锤头底部与试件冲击接触面为300 mm×300 mm 的正方形，具体尺寸见表3 和图3。冲击位置为试件有效长度的中点处。运用高速摄影采集跨中的挠度时程曲线，采集速度为3 000 帧/秒。轴力通过200 t 液压千斤顶首先施加在蝶形弹簧上，再通过蝶形弹簧施加到试件上。蝶形弹簧在试件遭受冲击的过程中可以通过储存的弹性势能使轴力一直加载在试件上。

图 2 超重型落锤试验装置Fig. 2 Super heavy drop weight test equipment

图 3 落锤示意图（单位：mm）Fig. 3 Illustration of drop weight (unit: mm)

表 3 落锤具体尺寸Table 3 Specific size of drop weight

2 试验结果

2.1 冲击过程

通过高速摄影对钢骨混凝土柱的冲击全过程进行追踪，掌握落锤冲击钢骨混凝土柱的各个过程。以试件SRC6 为例，冲击全过程如图4 所示。落锤冲击试件前试件SRC6 在轴力和支座约束下保持静止状态（图4（a）），而后落锤下落，试件与落锤瞬间接触（图4（b））。在超重型落锤的巨大冲击能量作用下试件同时出现剪切斜裂缝和弯曲裂缝（图4（c）），落锤和试件一起向下运动，直到试件达到一定变形量时试件和落锤发生反弹（图4（d）），试件的反弹量较小，而落锤反弹位移较大（图4（e））。最后落锤反弹与防撞护栏接触后缓慢落下后与试件最终静止（图4（f））。

图 4 试件SRC6 冲击全过程Fig. 4 Impact process for SRC6

2.2 冲击力

冲击力时程曲线如图5 所示。由图5 可知，较大截面尺寸的钢骨混凝土试件在超重型落锤冲击下造成的冲击力峰值都较大；而冲击力平台值相对于冲击力峰值衰减了很多，这是由于外侧混凝土破坏导致冲击力平台值变得较小；钢骨混凝土冲击力时程曲线经历了峰值段、平台段和下降段。

2.3 跨中位移

跨中位移时程曲线如图6 所示。由图可见，冲击速度越大跨中位移也随之越大；不同边界条件对试件的跨中位移时程曲线也有较大影响，两端简支试件跨中挠度最大，其次为固简支试件，两端固支试件跨中位移最小。结合表1 和图6 可知，无论高速摄影还是高度尺所测得的跨中残余位移规律一致，且两者所测得的跨中残余位移误差都较小。

图 5 SRC6 构件冲击力时程曲线Fig. 5 Time history curves of impact load of SRC6 specimen

图 6 SRC 构件跨中位移时程曲线Fig. 6 Time history curves of mid-span displacement of SRC specimen at different impact velocities and under different boundary conditions

2.4 轴压力

轴压时程曲线如图7 所示。由图可见，落锤冲击试件后轴力突然有小幅提升，这是由于落锤冲击试件后，冲击波从跨中向两侧端部转递，导致轴力有小幅增大；但由于钢骨混凝土构件外侧混凝土破坏严重且落锤撞击导致构件发生整体弯曲变形，使构件向跨中收缩，这样导致轴力发生明显的卸载直到最终平稳；试件SRC4 轴力卸载4.1%，SRC5 轴力卸载7.5%，SRC6 轴力卸载15.3%，SRC8 轴力卸载8.9%，SRC9 轴力卸载22.8%，这说明冲击速度越大轴力卸载越明显，轴压力越大轴力卸载也越明显。

图 7 轴压时程曲线Fig. 7 Time history curves of axial pressure

2.5 破坏形态

落锤在不同冲击速度下撞击钢骨混凝土构件的破坏形态如图8 所示。由图8 可知，在冲击质量相同的情况下，随着冲击速度的增加，即冲击能量增加，钢骨混凝土构件外侧的混凝土破坏明显，尤其冲击速度为9.39 m/s（冲击能量为51.08 kJ）时，试件上部冲击接触区混凝土剥落范围较大且损害严重，同时试件出现明显的剪切斜裂缝。因此，冲击能量越大试件越容易出现剪切破坏。

不同轴压力下落锤冲击钢骨混凝土构件后的破坏形态如图9 所示。由图9 可知，本次试验范围内，在相同的冲击能量下（即冲击质量和冲击速度都相同），轴压力越大，试件的剪切裂缝越明显，受拉区的弯曲裂缝越少。对比试件SRC6 和试件SRC9 可知，试件SRC6 的弯曲变形更明显，说明在一定的轴压力范围内，轴力越大抗弯承载力越大。

图 8 不同冲击速度下构件破坏形态Fig. 8 Failure models of SRC at different drop hammer impact velocities

图 9 不同轴压力下落锤冲击后构件破坏形态Fig. 9 Failure models of SRC under different axial load by drop hammer

不同边界条件下落锤冲击钢骨混凝土构件后的破坏形态如图10 所示。由图10 可知，在相同的冲击条件下，落锤冲击后两端简支的试件破坏最为严重，其次为固简支的试件，两端固支的试件破坏程度相对于前两种支座要好；3 个试件的剪切斜裂缝和弯曲裂缝都很明显，其中两端简支的试件弯曲变形最为明显，其次为固简支试件，最后为两端固支的试件。

图 10 不同边界条件下落锤冲击后构件破坏形态Fig. 10 Failure models of SRC under different boundary conditions by drop weight

总体看来，钢骨混凝土构件整体抗冲击性能良好，内部钢筋和钢骨只发生了弯曲变形。但在超重型落锤的巨大冲击能量作用下构件外侧混凝土会出现多道斜剪切裂缝且主要以剪切破坏为主，而相比与冲击能量较小的落锤试验机冲击钢筋混凝土柱[12]和外侧为混凝土的钢管混凝土叠合柱[17]时主要以受弯破坏为主。

3 试验参数分析

3.1 冲击速度的影响

落锤冲击速度变化对钢骨混凝土构件动力响应的影响如图11 所示。由图11 可知，随着冲击速度的增加钢骨混凝土构件的冲击力峰值、冲击力平台值、冲击持时和跨中最大挠度也随之增加。冲击速度对于钢骨混凝土构件的动力响应影响较大且全面，越大的冲击速度也越容易使试件发生破坏。

3.2 轴压的影响

轴压力变化对钢骨混凝土构件动力响应的影响如图12 所示。由图12 可知，在本次试验轴力范围内，轴压力增加，冲击力峰值也随之增加，而冲击持时随之减少，冲击力平台值的规律不明显，有增有减；轴压力增加，试件跨中位移最大值基本上随之减小，这是由于在较小轴压力范围内，轴力使试件抗弯承载力有所提高。

3.3 边界条件的影响

边界条件变化对钢骨混凝土构件动力响应的影响如图13 所示。由图13 可知，其他条件都相同的情况下，两端简支试件的冲击力峰值和平台值要小于固简支试件的冲击力峰值和平台值，但冲击力持时和跨中最大位移情况相反；相同冲击速度下，两端固支试件的冲击力峰值和平台值要明显大于固简支试件和两端简支试件的冲击力峰值和平台值，相应的冲击持时和跨中最大位移正好情况相反。总体而言，试件边界条件越强，其冲击力峰值和平台值越大，冲击持时和跨中位移越小。