侧向冲击荷载作用下圆钢管混凝土柱力学性能分析

2021-05-11徐建章陆晨光

建材世界 2021年2期

徐建章，陆晨光

(1.武汉理工大学土木工程与建筑学院，武汉 430070;2.浙江大东吴集团建设有限公司，湖州 313000)

钢管混凝土指的是在钢管中填充混凝土而形成的一种组合结构，其主要特点在于利用混凝土和钢管的相互作用，弥补其各自在结构设计和施工中的缺点。一方面钢管为核心混凝土提供约束，提高了核心混凝土的强度，也使核心混凝土塑性和韧性得到改善；另一方面混凝土的支撑作用可以延缓钢管的屈曲，这样充分地发挥了两种材料的优势。由于钢管混凝土具有承载力高、塑性和韧性好、抗震性能突出、经济效果显著以及施工方便等优点[1]，近年来已经被广泛地应用于超高层建筑、电力塔架和桥墩等工程领域。目前，国内外学者对钢管混凝土结构的静力学性能进行了大量研究，丁发兴等[2]从连续介质力学的角度展开研究，对钢管混凝土短柱进行弹塑性分析，建立了钢管混凝土组合材料的应力-应变关系曲线的表达式。郑玲玲等[3]应用OpenSEES有限元软件计算圆钢管混凝土短柱的轴压承载力-应变关系曲线。结果表明，圆钢管混凝土与普通混凝土的力学性能差异大；增大核心混凝土的强度、钢材的套箍系数和屈服强度都可以提高构件的极限承载力。Sundarraja等[4]从数值模拟的角度对承受轴向压力的钢管混凝土柱的力学性能进行了研究。

钢管混凝土结构在服役过程中，除了遭受静力荷载外，还可能受到冲击荷载的作用。例如，桥梁桥墩受到轮船的撞击，建筑受到车辆的撞击等。事实上，冲击过程是一个复杂的非线性动态过程，与静力荷载相比，影响结构力学性能的因素有很多，如应力波的传播、材料应变率效应和惯性力等。近年来，钢管混凝土结构在冲击荷载作用下的力学性能成为了许多学者研究的热点[5-8]。张晨等[9]对受轴向冲击荷载的钢管混凝土短柱进行研究，发现钢管混凝土短柱抗冲击承载能力较强。朱翔等[10]利用有限元分析软件ABAQUS建立了钢管混凝土柱受侧向冲击荷载作用的模型，并对已有文献的试验结果进行对比，验证了模型的准确性。Qu等[11]使用有限元分析软件LS-DYNA对圆钢管混凝土构件在侧向冲击荷载作用下的力学性能进行了数值模拟。研究假设钢管和混凝土之间的粘结为完全粘结，构件端部约束为固结，冲击荷载作用于跨中。将数值模拟值与试验值进行对比，发现二者吻合良好。并研究了冲击块动量、冲击能量以及冲击高度等参数对构件力学性能的影响。王蕊[12]、刘亚玲[13]和贾电波等[14]利用落锤冲击试验机对钢管混凝土结构进行冲击试验，得到了构件的破坏形态、跨中挠度和冲击力时程曲线等。由于钢材在冲击荷载的作用下会出现强度提高的特性，而以上研究很少涉及，论文通过数值模拟对受侧向冲击的圆钢管混凝土长柱的力学性能进行了研究，同时考虑了钢管和混凝土材料的应变率效应。

1 数值模型的建立

为了真实地反应构件实际受力情况，采用ABAQUS/Explicit显示动力分析模块对圆钢管混凝土柱在冲击荷载作用下的力学性能进行数值模拟，同时考虑了钢管和混凝土材料的应变率效应以及不同部件之间的接触问题等，构件尺寸参数见表1。

表1 尺寸参数

1.1 钢材本构关系

该文钢材的应力-应变曲线采用五段式弹塑性模型，即弹性阶段、弹塑性阶段、塑性阶段、强化阶段及二次塑流阶段等5个阶段，钢材的力学性能见表2。

表2 钢材的力学性能

钢材在冲击荷载作用下强度会有所提高，其强度随着加载率的变化而变化。由于该文研究的是低速冲击的力学问题，故采用Cowper-symonds模型[15]。在该模型中，钢材的动态强度提高系数主要取决于应变率，动态屈服函数为

(1)

1.2 混凝土本构关系

采用刘威[16]提出的核心混凝土受压本构模型，该模型考虑了钢管对核心区混凝土的套箍效应。核心混凝土采用C30，抗压强度fcu取31.2 MPa。此外，混凝土在冲击荷载的作用下，受应变率效应的影响，其抗压强度和抗拉强度都有所提高，CEB规范[17]中建议利用动力增大系数来考虑应变率的影响。

1.3 模型建立

利用有限元软件ABAQUS/Explicit建立圆钢管混凝土柱受侧向冲击荷载作用的数值计算模型。模型包含钢管、核心混凝土、两端盖板、支座圆钢和落锤5个部分。其中，钢管采用4节点减缩积分薄壳单元(S4R)，核心混凝土和两端盖板采用8节点减缩积分三维实体单元(C3D8R)模拟，由于锤头和支座圆钢在冲击过程中的变形很小，故将其设置为RIGID刚体材料。

2 数值模拟结果与分析

2.1 冲击速度的影响

为研究冲击速度对圆钢管混凝土柱力学性能的影响，取构件直径208 mm，钢管壁厚8 mm，冲击高度分别取2 m 、3 m、4 m，对应冲击速度分别为6.26 m/s、7.67 m/s、8.85 m/s。冲击力时程曲线如图2所示，冲击力时程曲线大致可以分为4个阶段:落锤在接触构件的瞬间，冲击力达到峰值，构件在极短时间内获得较大的动能，导致下落的速度比落锤快，两者间的接触变弱，因而冲击力出现衰减，该阶段称为峰值阶段；构件持续变形，不断消耗冲击动能，导致构件跨中速度逐渐降低，而落锤由于重力的作用继续下落，再次撞击构件，落锤和构件之间再次接触，冲击力逐渐增大，再次出现峰值，与第一次冲击力峰值相比，第二次冲击力峰值有所减小，该阶段称为震荡阶段；当落锤和构件速度逐渐趋于一致，共同向下运动，冲击力维持不变，将此时的冲击力值称作冲击力平台值。构件变形不断增长，直至构件达到最大跨中挠度，该阶段称为稳定阶段；当储存在构件中的变形能释放，构件产生回弹，跨中挠度恢复至一定值，亦称为跨中残余挠度。落锤和构件开始向上运动，冲击力不断下降，直至落锤离开构件，冲击力变为零，整个冲击过程结束，该阶段称为衰减阶段。冲击力峰值随着冲击速度的增加而增大。究其原因，冲击速度的增大提高了材料应变率，从而增加了材料的强度，但应变率的提高对冲击力平台值的影响不大。

构件跨中挠度曲线和应变时程曲线分别如图3和图4所示。由图3可知，跨中挠度随冲击速度的增加而增大。当冲击速度一定时，跨中挠度随时间不断增大，当达到冲击力衰减阶段时，跨中挠度值开始减小。表明此时构件已经达到最大变形量并开始出现回弹。由图4可知，当构件受到冲击后，跨中截面下表面应变迅速增加，当超过极限拉应变后构件的变形不会恢复到初始状态，存在残余应变，残余应变值随着冲击速度的增加而增大。

2.2 构件尺寸的影响

当冲击速度为6.26 m/s时，利用钢管壁厚为8 mm、管径分别为148 mm和208 mm的构件进行模拟分析。冲击力时程曲线如图5所示，由图5可知，冲击力峰值和平台值随管径的增加而增大，表明增大构件尺寸能够提高钢管混凝土柱的抗侧向冲击承载力。

2.3 钢管壁厚的影响

为研究钢管壁厚对圆钢管混凝土柱力学性能的影响，取冲击速度为6.26 m/s、模型管径为208 mm、钢管壁厚分别取6 mm和8 mm。冲击力时程曲线如图6所示，由图6可知，冲击力峰值和平台值随钢管壁厚的增加而增大，表明增加钢管壁厚能够提高钢管混凝土柱的抗侧向冲击承载力。不同钢管壁厚的构件跨中挠度曲线和应变时程曲线分别如图7和图8所示。由图7和图8可知，钢管壁厚对构件跨中挠度和应变都有一定的影响。增大钢管壁厚，构件跨中挠度和残余应变都有所降低，这是因为钢管截面刚度随壁厚的增加而增大，使得构件整体抗弯刚度变大。因此，适当增加钢管壁厚能够提高钢管混凝土柱抗冲击性能。

表3列出了冲击速度与跨中最大挠度值，通过分析表3可以得出构件跨中的最大变形与外包钢管的壁厚和构件截面尺寸的关系：当构件的截面尺寸一定时，增大钢管壁厚，能够减小构件跨中变形，且随着冲击速度的增加，减小的比率逐渐增大；当构件的钢管壁厚一定时，增大截面尺寸，能够减小构件跨中变形，但随着冲击速度的增加，减小的比率逐渐降低。