约束空心混凝土柱抗侧向冲击动力性能

范定坚，任曼妮

（1.陕西省现代建筑设计研究院 第一设计所，陕西 西安 710021；2.哈尔滨工业大学 建筑设计研究院，黑龙江 哈尔滨 150090）

0 引言

钢管混凝土由钢管内部填充混凝土而成，其中钢管起到约束混凝土作用.钢管混凝土相对于普通钢筋混凝土柱具有承载能力高、抗弯刚度大、自重小以及较好的变形能力[1]，这种特性使钢管混凝土在实际工程中应用比较广泛.在实际工程设计中，大多只考虑恒载、活载等静力载荷，以及风载荷、地震作用等动力载荷，而忽略了作用时间极短、能量巨大的动态冲击载荷[2].近年来，结构受到很多的汽车、爆炸的冲击，而方钢管由于其良好的受力性能成为结构主要受力构件，一旦对钢管混凝土发生冲击作用，对整个结构的安全性造成很大的影响，因此对钢管混凝土结构的抗侧向冲击性能研究是有必要的.

SAKINO[3]对方钢管混凝土柱进行拟静力试验并对柱耗能能力的影响因素进行研究.BAMBACH[4]对方钢管混凝土柱进行冲击载荷作用下的动力性能研究及有限元模拟分析.王洪欣[5]等对空心圆钢管混凝土构件进行抗侧向冲击性能研究，分析了钢管强度、混凝土强度、空心率等因素对构件的抗侧向冲击性能的影响.候川川[6]对圆钢管混凝土构件在冲击载荷下的力学性能进行分析，通过回归分析得到钢管混凝土构件在冲击载荷下截面动力抗弯强度实用计算公式.邹淼[7]对FRP管-混凝土-钢管组合柱进行了侧向撞击试验，研究冲击能量大小和FRP包裹层数对柱抗侧向冲击性能的影响.胡昌明[8]等开展了钢管混凝土叠合试件落锤冲击试验，构件表现出良好的受力性能，管外钢筋混凝土部件与核心钢管混凝土部件能够协调互补、共同工作.姜珊[9]、候俊[10]对不锈钢-混凝土-钢管组合构件在侧向冲击作用下的动力响应进行研究，分析了空心率、冲击能量和轴压比等因素对组合构件的影响.冉永红[11]等对钢管混凝土桩林在冲击载荷作用下的动力性能进行研究，分析结构在不同冲击高度、冲击质量对结构的动力性能影响.何佳星[12]对内配圆钢管的圆钢管混凝土构件受到横向撞击的过程进行模拟，得出内配圆钢管的圆钢管混凝土构件的静态极限弯矩计算方法.李显辉[13]等对比研究了中空夹层钢管混凝土的动力性能，研究结果表明：中空夹层钢管混凝土试件的抗冲击性能明显优于双层空钢管试件的抗冲击性能；中空夹层钢管混凝土直管试件的抗冲击性能优于锥管试件.

综上可知，空心钢管混凝土柱具有良好抗冲击性能，但现有研究大部分集中在对圆钢管混凝土构件的冲击动力性能方面，对方钢管空心混凝土柱的抗侧性动力性能研究较少.因此，采用有限元软件对内配圆钢管的方钢管空心混凝土柱抗侧向冲击动力响应进行分析，分析了构件在运动物体冲击作用下的破坏模式，并研究了钢材强度、混凝土强度、空心率、含钢率和冲击位置对构件的动力响应的影响.

1 有限元模型建立

1.1 材料属性

在快速加载过程中，金属材料具有应变率效应，钢材的屈服强度会得到不同程度的提高，本模型中采用Cowper-symoods模型，该模型的屈服强度为

式中，σ0为静态屈服应力，MPa；˙为应变率，C和p为材料应变率系数；β为硬化参数；为有效塑性应变；Ep为塑性硬化模量.

本文中，钢材密度取7 850 kg/m3，弹性模量取2.06×1011N/m2，泊松比为0.3，C和p选取参数取值见文献[7].混凝土采用ABAQUS中提供的弹塑性损伤模型，应力-应变关系参照文献[7].

1.2 模型建立

混凝土和钢板均采用C3D8R实体单元，混凝土与圆钢管和方钢管之间相互作用采用接触进行设置[14]，钢管与混凝土的法向接触为“硬接触”，切向力采用库伦摩擦力；为保证全部冲击作用完全传递给钢管柱，故冲击块尺寸为 300 mm×50 mm×50 mm，采用刚体来保证冲击块在撞击过程中不发生变形对刚体块整体施加初始速度；构件的两端采用固结约束，试件高度均为1 200 mm，试验构件截面见图1，建成后的有限元模型见图2，截面尺寸见表1.构件均满足《钢管混凝土技术规程》[15]的要求.

图1 构件截面Fig.1 section of component

图2 有限元模型Fig.2 model of finite element

表1 试件尺寸Tab.1 size of specimens

续表1

1.3 数值模拟的验证

为验证有限元模拟的准确性，选取文献[5]中的空心钢管混凝土试件A-1、试件A-2、试件B-1和试件B-2进行验证.图3给出了试件B-1和试件B-2的试验与模拟的冲击力时程曲线对比，从图中可以看出试验与模拟的冲击力过程大致相同；表2给出了试验与模拟的冲击力与挠度对比值，从表2中可见，试验值和模拟值冲击力相差均值为 1.04，挠度值相差均值为1.04；由此可见本文采用的模拟方法是合理且可靠的.

图3 试验与模拟时程对比Fig.3 comparisons of experimental and simulated

表2 试验与模拟冲击力和挠度对比Tab.2 comparison of impact force and deflection between test and simulation

2 构件抗侧向冲击作用分析

2.1 破坏模式对比

以典型构件 F-1为例，分析该形式钢管混凝土柱在侧向冲击作用下的破坏.构件F-1受到冲击时，撞击位置的受力较大的同时，柱固定端的应力也随之增大；钢管混凝土柱呈现弯曲整体弯曲破坏模式，跨中冲击力最大，挠度最大，变形由跨中往两个柱端延伸，最终破坏形态呈“V”字形，构件F-1变形见图4.除以下2个钢管混凝土柱外，其余柱在受到冲击后的破坏均同构件F-1相同，均为弯曲破坏.

图4 构件F-1变形Fig.4 deformation of F-1

构件F-9、构件F-10由于圆钢管直径过大，在相同速度冲击作用下，局部抗剪切能力不足，导致冲切部位发生严重的变形，失去抗冲切能力，钢管被压扁，冲击部位处的钢管挠度要远大于冲击处底部的挠度，最终发生局部冲切破坏，见图5.

图5 构件F-9变形Fig.5 deformation of component F-9

2.2 钢管强度影响

钢管强度直接影响方钢管空心混凝土柱的抗侧向冲击性能，构件F-1、构件F-2、构件F-3的方钢管钢材强度分别为Q235、Q340、Q390，其余材料属性均相同.冲击速度均为30 m/s工况下，3个构件的跨中挠度位移和冲击力时程曲线见图6.由于冲击体刚度较大，整个撞击过程时间很短暂，在0.36 ms处冲击力达到最大值.整个撞击过程在0.01 s之内完成，之后时间冲击力均为0，故图6中只列出0.01 s内冲击力曲线.从图6中可以看出，相较于构件F-1，构件F-2和构件F-3冲击力峰值分别增大5.96%和9.29%，挠度值分别降低18.89%和23.53%，这是由于方钢管屈服强度增加能够有效提高钢管混凝土柱的抗侧刚度，导致冲击力峰值的提升.说明在相同冲击速度下，随着方钢管强度的增大，构件整体刚度越大，有利于减少构件的变形.

图6 不同方钢管钢材强度对比Fig.6 strength comparison of different square steel tubes

构件F-1、构件F-4和构件F-5内的圆钢管钢材强度分别为Q235、Q340、Q390，其余材料属性均相同.冲击速度均为30 m/s工况下，3个构件的跨中挠度位移和冲击力时程曲线见图7.从图7中可见，在相同撞击速度作用下，3个构件的冲击力最值和跨中位移相差均不超过 1%，说明在相同冲击速度下，提高空心圆钢管钢材强度对整体柱构件的抗侧向冲击性能影响并不明显；但圆钢管屈服强度提高会减少圆钢管受到冲击作用后的变形，对构件整体变形起到有利作用.

图7 不同空心圆钢管钢材强度对比Fig.7 strength comparison of different circular steel tubes

2.3 混凝土强度影响

图8给出方钢管空心柱混凝土在C30、C40、C50下冲击力和跨中挠度对比情况.从图8中可见，3条冲击力曲线基本重合，说明改变混凝土强度对冲击力平台值的影响较小；但随着混凝土强度的增大，其冲击力峰值呈增大趋势，说明提高混凝土强度会在一定程度上提高构件的抗侧向冲击力峰值，但是提高幅度有限，对冲击力平台值基本不会产生影响；跨中挠度时程曲线相差很小，这主要是因为钢管混凝土在受到冲击作用时，核心混凝土的主要作用是支撑钢管，防止钢管局部失稳，混凝土强度并未对抵抗变形起作用.

图8 不同混凝土强度对比Fig.8 strength comparison of different concrete

2.4 空心率影响

空心钢管的空心率[14]为

式中，Ac、Ah分别为混凝土面积和空心面积，mm2.

构件F-1、构件F-8、构件F-9、构件F-10的空心率分别为0.33、0.38、0.45、0.53，4个构件钢材强度、混凝土强度、冲击速度以及柱端约束均相同.图9给出了4个方钢管空心混凝土柱试件的冲击力和挠度曲线.从图9中可见：构件F-9和构件F-10中，冲击块对柱的作用时间要远远长于其余两个柱构件，0.035 s之后冲击块才开始脱离构件，此时构件F-9、构件F-10跨中挠度过大，产生局部屈服，这是由于空心率过大导致钢管柱刚度明显不足以抵抗侧向冲击；随着空心率的增加，构件F-8、构件F-9冲击力峰值相对于构件F-1分别降低了7.80%和8.36%，而构件F-10的冲击力峰值突然增大，这主要是由于空心率的增大，造成构件冲击部位方钢管首先局部屈服，同时冲击块与构件接触时间较长，方钢管与圆钢管之间距离较小，圆方管充分发挥本身的抗侧刚度，最终方钢管和圆钢管均发生屈服，构件产生冲切破坏.随着空心率的增大，构件柱挠度增大，说明空心率增大会降低方方管空心混凝土柱的抗侧向冲击能力，同时空心率会改变构件的破坏模式.

图9 不同空心率的构件强度对比Fig.9 strength comparison of components with different hollow ratio

2.5 含钢质量分数影响

保持方钢管混凝土整体外径不变的情况下，在初始模型的基础上分别改变方钢管和圆钢管的钢材厚度，探究截面含钢率对侧向冲击作用下方钢管空心混凝土柱动力性能的影响.表3给出了各个构件的钢材厚度参数及含钢率.

表3 构件的钢材厚度及含钢质量分数Tab.3 steel thickness and steel ratio of components

图10给出了撞击速度为30 m/s工况下，不同方钢管厚度下的构件冲击力时程曲线和跨中挠度时程曲线.从图10中可以看出：相比构件F-1（含钢质量分数为9.47%），构件F-11、构件F-12、构件F-13冲击力峰值分别增大 2.53%、12.89%、18.93%，这是因为随着方方管厚度的增大，截面含钢质量分数增大使得截面刚度变大，在冲击载荷作用下的动力响应越剧烈；同时，随着方钢管厚度增加导致冲击块与构件的冲击时间变短，构件受到的冲击力峰值和平台值随之增大.从图10（b）可见：随着方钢管厚度增大，构件跨中挠度随之减少，相较于构件F-1，构件F-11、构件F-12、构件F-13跨中挠度峰值分别减少11.53%、18.86%、26.91%，这是由于方钢管厚度增大提高截面的抗侧刚度，进而减少截面变形.

图10 不同方钢管厚度构件强度对比Fig.10 strength comparison of different square steel tube thickness

图11为不同圆钢管厚度构件强度对比.从图11中可见：增大圆钢管厚度后，冲击力峰值基本相差不大，相较于构件F-1，构件F-14、构件F-15、构件F-16的挠度分别减少了5.63%、8.62%、10.83%，说明增大圆钢管厚度，构件的冲击力峰值不会得到明显提升，但跨中挠度会得到明显减少，这主要是因为在冲击速度为30 m/s工况下，方钢管空心混凝土柱只有外侧方钢管对截面刚度发挥主要作用，圆钢管此时处于弹性状态，改变圆钢管截面含钢率对结构截面刚度影响不大.

图11 不同圆钢管厚度构件强度对比Fig.11 strength comparison of with different thickness of circular steel tube

因此，当提高截面的含钢质量分数时，能够有效提高截面的抗侧向冲击性能以及增大截面刚度，提高截面抵抗变形的能力；增大圆钢管厚度对构件变形能力能够得到提升，构件截面的抗侧向冲击能力不会产生明显的提升.

2.6 冲击位置的影响

构件F-1、构件F-19、构件F-20在相同撞击速度下，冲击块的冲击位置分别在构件的1/2、1/4和1/3位置处，用以考察不同位置的撞击对柱构件的动力性能影响.从图12（a）中可见：相对构件F-1，构件 F-19、构件 F-20冲击力峰值增大 14.12%和9.0%，3个构件的冲击平台值接近；从图11（b）可见：3个构件的跨中挠度峰值相差很小，但是距离支座越近，挠度峰值越小且越早达到稳定.因此，随着冲击位置距离支座距离越近，构件变形减少，构件能够承受更大的冲击作用.

图12 不同冲击位置下构件强度对比Fig.12 comparison of member strength under different impact positions

3 结论

本文采用数值模拟方法对方钢管空心混凝土柱的冲击破坏模式以及在5个不同影响因素下的抗侧向冲击性能进行分析，得出以下结论：

（1）内配圆钢管的方钢管空心混凝土柱会发生整体弯曲破坏和局部冲切破坏，大部分钢管混凝土构件产生弯曲破坏，构件F-9、构件F-10方钢管混凝土由于空心率过大，在相同速度冲击作用下，局部抗剪切能力不足，产生局部冲切破坏.

（2）增大方钢管钢材强度、钢材厚度和降低钢管混凝土空心率，均能够有效提高钢管混凝土柱抗侧向冲击动力性能，而改变圆钢管钢材强度、厚度以及柱中混凝土强度对构件抗侧向刚度影响作用基本可以忽略.

（3）随着冲击点与支座距离的缩短，构件的变形减少，缩短构件变形达到稳定所需的时间，构件能够承受更大的冲击作用，但对冲击力平台值影响较小.