廖 恒， 吳方紅， 李 召， 杜國鋒

(1. 長江大學(xué) 城市建設(shè)學(xué)院， 湖北 荊州 434023； 2. 武漢大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院， 湖北 武漢 430072；3. 武漢理工大學(xué) 道路橋梁與結(jié)構(gòu)工程湖北省重點實驗室， 湖北 武漢 430072)

建筑物一旦遭受地震、爆炸和汽車等撞擊作用，將導(dǎo)致破壞甚至倒塌，進而造成重大的人員傷亡和經(jīng)濟損失。監(jiān)測建筑物承重柱等重要構(gòu)件在沖擊荷載作用下的力學(xué)變化特征具有重要意義。鋼管混凝土柱因其結(jié)合了鋼管和混凝土的優(yōu)越性能得以在土木建筑工程中廣泛應(yīng)用[1]。國內(nèi)外學(xué)者對鋼管混凝土柱在靜力荷載和低周往復(fù)荷載下的力學(xué)性能研究成果較多[2]，在沖擊荷載作用下的研究較少，且大多數(shù)的實驗在測量方法上都是通過在試件的表面粘貼應(yīng)變片和設(shè)置位移計去測得試件的應(yīng)力和變形，但這種測量方法不能有效的反應(yīng)試件內(nèi)部的應(yīng)力變化。因此，本文利用壓電陶瓷研制成的智能骨料埋置于鋼管混凝土內(nèi)部，嘗試監(jiān)測鋼管內(nèi)混凝土在沖擊荷載作用下的響應(yīng)變化過程。壓電陶瓷具有響應(yīng)快、頻響范圍寬、壓電常數(shù)大、線性關(guān)系好的優(yōu)點，同時具備傳感和驅(qū)動雙重功能。近年來，在土木工程結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測和損傷識別等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。休斯頓大學(xué)的song等[3]將壓電陶瓷片封裝在混凝土塊中，提出了智能骨料(Smart Aggregate)的概念，并將智能骨料埋置到公路橋梁的混凝土內(nèi)，用于監(jiān)測超載貨車對路橋的沖擊力[4]，結(jié)果表明，壓電智能骨料不僅能監(jiān)測出貨車對路橋撞擊后的損傷，同時能監(jiān)測出相應(yīng)的撞擊力。杜國鋒等[5,6]利用鋼材和壓電陶瓷傳感器制作了高強壓電智能骨料，并應(yīng)用于高強混凝土實時應(yīng)力的監(jiān)測。Qian Feng等[7]將智能骨料埋入不同損傷程度的混凝土樁內(nèi)，通過接收智能骨料輸出信號檢測混凝土樁損傷情況，驗證了該方法的可行性。許斌等[8]將剪切型智能骨料埋置在混凝土薄壁空心圓筒中，利用小型落錘沖擊裝置對埋置有剪切型智能骨料的混凝土空心薄壁圓筒進行沖擊，標(biāo)定智能骨料靈敏度，結(jié)果表明智能骨料輸出的電壓與外力線性相關(guān)性較好，不同智能骨料之間靈敏度差異較小。本文為準(zhǔn)確分析沖擊荷載作用下鋼管內(nèi)混凝土的應(yīng)力，探討利用壓電智能骨料進行監(jiān)測的可行性，進行了基于壓電智能骨料的鋼管混凝土柱沖擊應(yīng)力監(jiān)測試驗，并將試驗結(jié)果與有限元分析結(jié)果進行對比，也為鋼管混凝土柱抗沖擊性能研究提供監(jiān)測數(shù)據(jù)。

1 試驗概況

1.1 試驗設(shè)計

本試驗采用的鋼管混凝土柱試件橫截面尺寸為204 mm×204 mm，其中鋼管壁厚為2.0 mm，內(nèi)部混凝土截面尺寸為200 mm×200 mm，柱高500 mm，在試件的中部植入一個智能骨料，探討利用其監(jiān)測混凝土內(nèi)核心處應(yīng)力的可行性，智能骨料為圓柱形，直徑為Φ25 mm，厚度為25 mm，鋼管混凝土柱斷面尺寸及智能骨料布置位置如圖1所示，智能骨料實物如圖2所示，參照文獻[9]的智能骨料靈敏度標(biāo)定方法實測的靈敏度系數(shù)為0.473 V/MPa。按標(biāo)準(zhǔn)實驗方法進行鋼材和混凝土強度實驗，實測混凝土立方體抗壓強度為45.6 MPa；鋼材屈服強度為289.5 MPa，極限強度為396.4 MPa，彈性模量為204 GPa。

1.2 試驗裝置及加載工況

本試驗采用如圖3所示的落錘試驗機裝置，落錘的最大高度為7.5 m，落錘錘頭質(zhì)量為330 kg，錘頭的直徑為0.1 m。錘頭的沖擊位置為試件的軸心處，試件的上端面焊接了一塊3 cm厚墊板，目的是使試件全截面均勻受力。落錘沖擊加速度由布置在落錘頂端的加速度傳感器直接測得。試驗工況根據(jù)落錘初始懸垂高度確定，落錘初始懸垂高度分別為0.5，1.0，1.5，2.0 m四種獨立的工況。

1.3 觀測內(nèi)容

試驗測試的主要內(nèi)容包括：(1)每種工況下錘頭的沖擊力；(2)智能骨料監(jiān)測數(shù)據(jù)；(3)試件變形情況。

圖3 沖擊試驗裝置

2 試驗結(jié)果分析

2.1 沖擊力與智能骨料監(jiān)測應(yīng)力

試驗共進行了四種工況的沖擊試驗，落錘初始懸垂高度分別為0.5，1.0，1.5，2.0 m，分別采集了每種工況下的加速度傳感器和智能骨料監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用加速度傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)推得落錘沖擊力，并繪制沖擊力與時間的關(guān)系曲線，如圖4所示；智能骨料監(jiān)測數(shù)據(jù)為電壓值，除以靈敏度系數(shù)后轉(zhuǎn)換成應(yīng)力值，由此建立智能骨料應(yīng)力與時間的關(guān)系曲線，如圖5所示。

圖4 不同工況下沖擊力時程曲線

圖5 不同工況下智能骨料應(yīng)力時程曲線

從圖4,5中的曲線可以看出，智能骨料反應(yīng)的應(yīng)力值和錘頭反應(yīng)的沖擊力值均在錘頭沖擊鋼管混凝土柱時達到最大峰值，然后迅速下降，但智能骨料輸出的應(yīng)力峰值是一個逐漸下降的過程，其原因在于鋼管混凝土柱內(nèi)部的應(yīng)力釋放，以及傳感器自身變形恢復(fù)；錘頭的沖擊力時程曲線在最大峰值出現(xiàn)后，不同程度上出現(xiàn)了第二次峰值，其原因在于錘頭第一次沖擊后會產(chǎn)生反彈形成二次沖擊。對比四組圖形可以發(fā)現(xiàn)，在錘頭的高度達到1.5 m之前，落錘沖擊高度越大對應(yīng)的沖擊力峰值也越大，試件內(nèi)部的應(yīng)力值越大。但當(dāng)錘頭高度為2 m時，沖擊力峰值有稍許下降，這個現(xiàn)象反映了試件承載力在1.5～2 m的區(qū)間達到了極限，同時由沖量定理可以得出錘頭與試件的沖擊作用時間也在增長。

繪制智能骨料監(jiān)測應(yīng)力的最大值及錘頭沖擊力的最大值與落錘高度變化曲線，如圖6所示。由圖中曲線可以看出，智能骨料反應(yīng)的試件中部截面應(yīng)力與錘頭沖擊力同時在錘頭高度為1.5 m的工況下達到峰值，且整體的曲線走勢也近似相同。

圖6 沖擊力和應(yīng)力的最大值與沖擊高度的關(guān)系

2.2 試件變形及破壞形態(tài)

鋼管混凝土柱在不同沖擊荷載作用下變形和破壞形態(tài)表現(xiàn)為：沖擊高度在0.5，1.0 m時，鋼管混凝土柱沒明顯變形，軸向基本無變化；當(dāng)沖擊高度為1.5 m時，鋼管混凝土柱上部出現(xiàn)微小的局部屈曲；當(dāng)沖擊高度為2.0 m時，鋼管混凝土柱上部出現(xiàn)較為明顯的屈曲，柱中部出現(xiàn)較小的鼓曲，此時試件的變形和鼓曲破壞情況如圖7所示。

圖7 試件變形

3 數(shù)值模擬與分析

3.1 混凝土本構(gòu)模型

3.1.1混凝土損傷模型

由于實際工程中混凝土在外界荷載作用下引起內(nèi)部損傷不可恢復(fù)，為了真實的分析其在沖擊荷載作用下力學(xué)性能，本文采用ABAQUS自帶的混凝土塑性損傷模型。

3.1.2混凝土塑性性能

鋼管混凝土中核心混凝土在四周鋼管壁的約束下處于三向受力狀態(tài)，其抗壓強度和延性得到一定提高，在有限元ABAQUS模擬過程中采用劉威[10]提出的鋼管核心混凝土單軸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。同時，混凝土在沖擊荷載作用下會表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變率效應(yīng)，隨著應(yīng)變率的提高，混凝土抗壓強度提高。應(yīng)變率對混凝土強度影響參考文獻[11]。

3.2 鋼材本構(gòu)模型

鋼材本構(gòu)模型采用ABAQUS中的塑性模型，其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系采用韓林海[12]提出的包括彈性階段、彈塑性階段、塑性階段、強化階段和二次塑流階段等5段式模型。

鋼材在考慮應(yīng)變率影響時采用的是Cowper-Symonds[13]模型，數(shù)學(xué)表達式如下：

式中：σdy為鋼材的動態(tài)屈服強度；σy為鋼材準(zhǔn)靜態(tài)屈服強度；D，n為應(yīng)變率參數(shù)，D，n取值參考文獻[7]，D=40.4 s-1，n=5；ε為鋼材動態(tài)應(yīng)變率。

3.3 建模及計算

墊板、混凝土、鋼管及錘頭都采用8節(jié)點減縮積分三維實體單元C3D8R模擬，混凝土與鋼管接觸界面，切向力采用罰函數(shù)，法向力采用“硬”接觸；混凝土與墊板接觸界面法向力采用“硬”接觸；鋼管和墊板以及鋼管和鋼管之間由于是焊接，模擬時采用Tie約束的方式連接。為了節(jié)約計算機資源，在網(wǎng)格劃分時，試件的網(wǎng)格相對較密，錘頭的網(wǎng)格相對較疏。構(gòu)件模型示意圖如圖8所示。

圖8 有限元模型

3.4 沖擊荷載數(shù)值模擬結(jié)果與實驗值對比

利用有限元軟件ABAQUS對試件的沖擊過程進行數(shù)值模擬計算，將有限元模擬結(jié)果與試驗結(jié)果進行對比分析，數(shù)值模擬結(jié)果如表2，由表2數(shù)據(jù)可見，試件的沖擊力作用時間和軸向位移隨著沖擊高度的增加而增加，而其沖擊力并不隨高度的增加而變化。試驗沖擊力最大值稍小于有限元分析的結(jié)果，這與有限元數(shù)值模擬時將錘頭假定為剛體有很大的關(guān)系。

表2 試驗結(jié)果與有限元結(jié)果的對比

3.5 沖擊力時程曲線與位移時程曲線

3.5.1沖擊力時程曲線

數(shù)值模擬得到不同工況沖擊荷載作用下的沖擊力時程曲線如圖9，將其與試驗結(jié)果進行對比可以看出：(1)數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果相差較小，沖擊力時程曲線的走勢基本一致，極限承載力差值幅度在10%以內(nèi)，說明所建模型、參數(shù)以及單元類型選取可行；(2)對比不同沖擊工況，沖擊力時程曲線大體一致，都是在錘頭接觸試件時，沖擊力迅速上升達到最大值，隨后下降進入平緩階段，最后趨于零;(3)通過觀察沖擊力時程曲線，可以發(fā)現(xiàn)隨著沖擊高度的增加，沖擊力作用時間也隨之增加。

圖9 有限元模擬沖擊力時程曲線

3.5.2位移時程曲線

試件在不同沖擊高度下的位移時程曲線大體相似，圖10繪制了試件的位移時程曲線。從圖中可以發(fā)現(xiàn)錘頭與試件接觸后試件軸向位移逐漸增大，達到峰值后，隨著錘頭脫離試件，試件軸向變形有一定的恢復(fù)；隨著沖擊高度的增加，試件軸向變形也不斷增大。

圖10 有限元模擬位移時程曲線

3.6 試件變形

圖11為試件在不同高度作用下有限元模擬的應(yīng)力云圖。由圖可知，試件上部邊緣的應(yīng)力遠大于其他部位的應(yīng)力，其變形表現(xiàn)為上部邊緣鼓曲。圖11表明，有限元模擬試件變形情況與試驗情況吻合較好。

圖11 試件在不同沖擊高度下應(yīng)力云圖

3.7 試件內(nèi)部應(yīng)力分布情況

利用有限元軟件模擬不同工況下壓電智能骨料的應(yīng)力變化情況，圖12為智能骨料在沖擊高度為0.5 m時應(yīng)力變化情況。不同沖擊強度荷載作用下壓電智能骨料應(yīng)力最大值見表3。圖13為壓電智能骨料所在截面的應(yīng)力云圖。通過表3中試驗結(jié)果與有限元結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，有限元模擬數(shù)據(jù)與試驗結(jié)果相差不大，從圖12中發(fā)現(xiàn)智能骨料應(yīng)力變化與沖擊荷載走勢相似，與試驗結(jié)果相吻合，因而驗證有限元模擬結(jié)果的可靠性。分析圖13混凝土應(yīng)力云圖，可以發(fā)現(xiàn)在沖擊荷載作用下，智能骨料應(yīng)力在同一截面應(yīng)力分布較均勻，其大小相差較小，在截面正中間及靠近鋼管壁處應(yīng)力稍高。產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因，可能是因為沖擊作用時，應(yīng)力在傳遞過程中，由于蓋板厚度不夠，導(dǎo)致柱中部所受應(yīng)力較大；由于鋼管壁的約束，導(dǎo)致靠近鋼管壁的應(yīng)力也相應(yīng)較大。

圖12 0.5 m沖擊高度智能骨料應(yīng)力時程曲線

表3 不同強度沖擊荷載作用下智能骨料最大應(yīng)力值

圖13 不同沖擊高度作用下橫截面應(yīng)力分布云圖

4 結(jié) 論

通過將壓電智能骨料埋入鋼管混凝土柱內(nèi)部進行沖擊應(yīng)力監(jiān)測試驗，以及有限元分析，得到以下主要結(jié)論：

(1)利用壓電智能骨料能夠較好地實現(xiàn)對沖擊荷載下鋼管混凝土柱內(nèi)混凝土的應(yīng)力監(jiān)測，并有效的反應(yīng)試件內(nèi)部應(yīng)力變化過程。

(2)當(dāng)沖擊高度為1.5 m時,出現(xiàn)柱上端邊緣鼓曲現(xiàn)象，此時智能骨料監(jiān)測的應(yīng)力達到峰值；沖擊高度增大到2 m時，出現(xiàn)柱中部鼓曲現(xiàn)象，智能骨料監(jiān)測的應(yīng)力減小。柱內(nèi)混凝土應(yīng)力變化過程與柱的變形破壞過程一致，說明監(jiān)測結(jié)果具有可信性。

(3)有限元分析結(jié)果與試驗結(jié)果的一致性較好，說明本文建立的有限元模型是合理的，可以用于其它工況下的分析；試件變形對沖擊力監(jiān)測的影響將會在后續(xù)研究中予以考慮。

(4)試件材料的性能參數(shù)不同所獲得的沖擊力反應(yīng)也會不同，后續(xù)研究中將嘗試多種構(gòu)件材料的監(jiān)測對比。