摘要：根據(jù)國內(nèi)外對鋼管混凝土構(gòu)件抗沖擊力學(xué)性能的研究成果，介紹了鋼管混凝土構(gòu)件的沖擊試驗研究及理論、數(shù)值模擬研究的情況，并根據(jù)當(dāng)前研究的不足，指出在沖擊損傷后鋼管混凝土構(gòu)件的剩余承載性能及抗震性能方面還有待進(jìn)一步研究。

關(guān)鍵詞：鋼管混凝土；沖擊；力學(xué)性能；剩余承載性能；抗震性能

一、概述

建筑結(jié)構(gòu)在服役期間不可避免地要受到意外撞擊，如船舶因偏離航線或漂浮物對橋墩的撞擊，失事飛機(jī)對高層或超高層建筑的沖擊，汽車對房屋結(jié)構(gòu)和高架橋墩的意外碰撞等。1964 年 5 月發(fā)生的 Maracaibo橋災(zāi)難性撞擊事故、前蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站由于初期爆轟物沖擊電站結(jié)構(gòu)造成核泄漏事故、2001 年震驚全球的美國 911 事件世貿(mào)中心雙子樓垮塌事故、2007年廣東九江大橋被撞塌事故、2008年在建的國內(nèi)第三長跨海金塘大橋坍塌事故等，均是在沖擊荷載作用下引起破壞。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)作為重要的結(jié)構(gòu)承重構(gòu)件，常用作建筑物的梁、柱承重構(gòu)件、高架路橋墩等，當(dāng)遭受意外的撞擊作用時，一旦發(fā)生破壞將引起生命和財產(chǎn)的巨大損失。在日常生活中經(jīng)常會遇到車輛對建筑物承重構(gòu)件的撞擊事件，如果在設(shè)計階段沒有考慮該類沖擊荷載的作用，則可能在建筑物服役期間發(fā)生突發(fā)性的破壞。隨著鋼管混凝土在建筑、交通、國防、核電站等領(lǐng)域的廣泛使用，對鋼管混凝土的沖擊性能研究顯得愈加重要。

近年來，部分學(xué)者對鋼管混凝土構(gòu)件的沖擊力學(xué)性能進(jìn)行了一些試驗和理論探討，并取得了一定的研究成果。本文結(jié)合近年來國內(nèi)外有關(guān)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的沖擊性能研究情況，介紹鋼管混凝土結(jié)構(gòu)沖擊力學(xué)性能方面的試驗、數(shù)值模擬及理論研究成果。

二、鋼管混凝土構(gòu)件的沖擊性能研究

在國外，Lahlou等[1]采用MTS試驗機(jī)進(jìn)行了加載速率為3.6×10-3s-1～6.5×10-3s-1 的鋼管約束普通混凝土和高強(qiáng)混凝土的軸壓試驗，實驗考慮了混凝土強(qiáng)度、鋼管約束程度和加載速率的影響，發(fā)現(xiàn)隨著約束程度的提高和混凝土強(qiáng)度的降低，動態(tài)抗壓強(qiáng)度和靜態(tài)抗壓強(qiáng)度的比值增加，同時試件的延性明顯提高，耗能能力有很大改善；Prichard和Perry[2]利用落錘沖擊試驗機(jī)對70根鋼管約束的混凝土柱進(jìn)行了軸向沖擊試驗，研究結(jié)果表明，當(dāng)約束混凝土的套管管壁有足夠的厚度能夠約束混凝土的側(cè)向膨脹時，接觸力和混凝土的沖擊強(qiáng)度都會得到相當(dāng)大的提高；Bambach 等[3]對三種不同截面尺寸完全固支的空心截面方鋼管梁和方鋼管混凝土梁進(jìn)行了跨中低速橫向沖擊試驗，試驗結(jié)果顯示方鋼管混凝土梁由于填充的混凝土限制局部變形發(fā)展而能承受較大的橫向沖擊荷載；隨后，Bambach[4]通過試驗和有限元分析了不銹鋼鋼管混凝土柱在橫向沖擊下的力學(xué)行為，考察了軸向力、轉(zhuǎn)動約束、軸向約束、鋼管材料性能和混凝土填充等因素的影響，提出了針對鋼管混凝土構(gòu)件在橫向沖擊作用下的設(shè)計方法；Yiusuf B等[5]通過試驗研究了靜力和沖擊荷載作用下空心不銹鋼管柱、不銹鋼管混凝土柱的力學(xué)性能，在試驗基礎(chǔ)上應(yīng)用有限元分析軟件ABAQUS建立了數(shù)值分析模型，研究結(jié)果表明：與普通鋼管混凝土柱相比，不銹鋼鋼管混凝土柱的承載力和延性都有相應(yīng)的提高。

在國內(nèi)，80年代陳肇元院士[6]利用快速加載試驗機(jī)對鋼管混凝土柱進(jìn)行了快速加載試驗，試驗發(fā)現(xiàn)快速加載下與靜載時相比，鋼管混凝土柱具有良好的延性和抵抗暫時作用的爆破荷載的能力；Xiao[7]和Shan[8]利用高速輕氣炮進(jìn)行了鋼管混凝土沖擊荷載下的試驗研究，研究結(jié)果表明，受彈體沖擊后，試件的沖擊端的殘余變形最大，側(cè)向約束能改善鋼管混凝土柱在沖擊荷載下的力學(xué)性能；王蕊等[9-10]對三種不同套箍系數(shù)的鋼管混凝土簡支梁在側(cè)向沖擊荷載下的動力響應(yīng)進(jìn)行了試驗研究，試驗得到了試件破壞模式和沖擊力時程，并在試驗基礎(chǔ)上通過理論推導(dǎo)，給出了鋼管混凝土梁在低速沖擊下整體變形的計算公式；文獻(xiàn)[11]通過試驗分析了側(cè)向沖擊下的鋼管混凝土構(gòu)件的失效模式和沖擊力時程，試驗考慮了軸力大小、約束效應(yīng)和沖擊能量的影響，在試驗基礎(chǔ)上，建立了考慮鋼筋和混凝土材料應(yīng)變率效應(yīng)、鋼管和核心混凝土間相互作用以及外部鋼管對核心混凝土約束效應(yīng)的有限元分析模型；涂勁松等通過落錘沖擊試驗考察了簡支鋼管混凝土構(gòu)件在沖擊荷載下的跨中撓度，結(jié)合數(shù)值分析得到了跨中撓度隨約束效應(yīng)系數(shù)和沖擊能量的變化關(guān)系曲線，并給出了沖擊荷載下簡支鋼管混凝土構(gòu)件跨中撓度的實用計算公式；李珠等利用落錘沖擊試驗機(jī)對不同端部約束的鋼管混凝土構(gòu)件進(jìn)行了側(cè)向沖擊試驗，得到了沖擊力時程及跨中的側(cè)向位移，并對構(gòu)件的破壞形態(tài)進(jìn)行了分析，研究結(jié)果表明，鋼管混凝土構(gòu)件具有良好的沖擊性能；任夠平等[12]通過試驗和數(shù)值分析對鋼管混凝土柱在側(cè)向沖擊荷載作用下的橫向撓度和撓曲線進(jìn)行了測試和計算機(jī)仿真，試驗獲得了試件跨中最終撓度隨沖擊能力、套箍系數(shù)和約束類型的變化數(shù)據(jù)；瞿海雁等在前人試驗的基礎(chǔ)上討論了鋼管混凝土構(gòu)件在側(cè)向沖擊作用下支座和跨中“塑性鉸”的形成機(jī)制及特征，并提出了圓鋼管混凝土構(gòu)件在側(cè)向沖擊作用下的簡化分析模型；侯川川等考慮了鋼材和混凝土應(yīng)變率效應(yīng)以及鋼管和混凝土界面的接觸關(guān)系，建立了鋼管混凝土構(gòu)件在低速橫向沖擊下的有限元模型，并討論了沖擊能量、截面含鋼率、鋼材屈服強(qiáng)度和混凝土強(qiáng)度等參數(shù)與沖擊力-時間曲線的關(guān)系；鄭紅勇借助落錘式?jīng)_擊實驗機(jī)，對兩端固定邊界條件下，兩種壁厚的鋼管混凝土梁進(jìn)行了側(cè)向撞擊試驗，研究指出，鋼管混凝土構(gòu)件具有良好的延性及抗沖擊性能；王洪欣等采用落錘沖擊試驗和有限元方法對空心鋼管混凝土構(gòu)件的抗側(cè)向沖擊性能進(jìn)行了研究，研究指出提高材料的強(qiáng)度、加強(qiáng)構(gòu)件的邊界約束可以提高構(gòu)件的抗沖擊性能，而空心率增大會降低構(gòu)件的抗沖擊性能；張晨利用ANSYS-DYNA進(jìn)行了鋼管混凝土短柱抗沖擊性能有限元分析研究，結(jié)果表明，鋼管混凝土具有較高的沖擊強(qiáng)度、屈服后承載能力和塑性變形能力；通過理論計算和有限元方法分析了懸臂鋼管混凝土構(gòu)件在橫向沖擊荷載下的力學(xué)性能，結(jié)果表明，當(dāng)套箍系數(shù)、材料強(qiáng)度和尺寸一定時，構(gòu)件最終撓度與沖擊能力成正比；張望喜等采用輕氣炮實驗裝置進(jìn)行了6個鋼管混凝土柱、2個外包碳纖維鋼管混凝土柱模型的沖擊試驗及模擬分析計算，研究結(jié)果表明，沖擊荷載作用下試件殘余變形、應(yīng)變變化直接與彈體沖擊速度有關(guān)；外包碳纖維對試件的抗沖擊性能有一定的改善；霍靜思等[13]通過落錘沖擊試驗對鋼管混凝土梁在高溫下、鋼管混凝土短柱在高溫下和高溫后進(jìn)行了沖擊試驗，研究結(jié)果表明，鋼管混凝土在高溫下、高溫后具有良好的抗沖擊能力。

三、沖擊損傷后結(jié)構(gòu)剩余承載性能研究

目前，沖擊損傷后鋼管混凝土構(gòu)件的剩余承載性能研究暫未見相關(guān)文獻(xiàn)報道。而在混凝土構(gòu)件方面，少數(shù)學(xué)者運(yùn)用數(shù)值分析方法進(jìn)行了初步的探討，Bao和Li[14]通過有限元軟件ANSYS/LS-DYNA分析了爆破沖擊荷載作用下鋼筋混凝土柱的動力反應(yīng)及其剩余軸向承載力，考察了配箍率、縱向配筋率、軸壓比和柱截面尺寸比等因素對剩余軸向承載力的影響，在大量計算分析的基礎(chǔ)上給出了剩余軸向承載力的回歸公式。

四、結(jié)語

本文總結(jié)了國內(nèi)外對鋼管混凝土構(gòu)件抗沖擊力學(xué)性能的研究成果，目前鋼管混凝土的沖擊性能研究還存在以下兩方面不足：

（1）鋼管混凝土構(gòu)件的抗沖擊性能研究大多是定性研究，雖然部分學(xué)者給出了沖擊荷載下構(gòu)件的撓度、沖擊力的簡化計算方法，但是適用范圍有限。影響因素考慮較為全面、適用范圍較廣的鋼管混凝土構(gòu)件極限沖擊承載力的實用計算方法有待進(jìn)一步研究。

（2）尚未見到有關(guān)橫向沖擊損傷后鋼管混凝土構(gòu)件的剩余承載力和抗震性能的研究報道。大多數(shù)情況下，受橫向沖擊后鋼管混凝土柱并未完全失效，還能繼續(xù)承載，但受沖擊損傷后鋼管混凝土柱的力學(xué)性能可能發(fā)生較大的變化，其剩余承載性能充足與否將嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的安全使用及抗震安全性。為此，有必要對橫向沖擊損傷后鋼管混凝土構(gòu)件的剩余承載性能作深入的研究。

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