司 強(qiáng)，王 蕊

（太原理工大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，山西 太原 030024）

隨著經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步，國(guó)內(nèi)外的橋梁建設(shè)迅速發(fā)展。與此同時(shí)，船舶數(shù)量的不斷增長(zhǎng)使通航水域上船撞橋的概率增加，近年來(lái)船橋碰撞事故頻繁發(fā)生，造成了極大的危害。除了船舶撞擊以外，車輛撞擊也會(huì)對(duì)橋梁造成損壞，據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，北京50%以上的立交橋都遭受過(guò)車輛撞擊[1]。由此可見(jiàn)，撞擊荷載已經(jīng)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)安全構(gòu)成了嚴(yán)峻威脅。

很多學(xué)者進(jìn)行了構(gòu)件耐撞性的相關(guān)研究。崔堃鵬等[2]采用LS-DYNA 碰撞分析軟件計(jì)算分析了汽車撞擊橋墩瞬態(tài)撞擊力的等效靜力；田力等[3]運(yùn)用LS-DYNA 建立鋼筋混凝土柱的三維分離式模型，研究了碰撞沖擊荷載作用下鋼筋混凝土柱的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和破壞模式；曾翔等[4]、許斌等[5-6]利用落錘沖擊試驗(yàn)開(kāi)展不同類型鋼筋混凝土梁抗沖擊性能的研究，分析了錘重、沖擊速度和沖擊能量對(duì)梁抗沖擊行為的影響；瞿海雁等[7]對(duì)兩端固定鋼管混凝土構(gòu)件在沖擊作用下的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬，通過(guò)分析構(gòu)件支座與跨中塑性鉸的形成機(jī)制，提出了圓鋼管混凝土構(gòu)件在側(cè)向沖擊作用下的簡(jiǎn)化分析模型；錢長(zhǎng)根[8]開(kāi)展了15 根構(gòu)件的實(shí)驗(yàn)研究，分析了側(cè)向沖擊荷載作用下空心鋼筋混凝土橋墩的受力性能。

空心鋼筋混凝土橋墩由于具有質(zhì)量小、截面慣性矩大、承載力高等優(yōu)點(diǎn)，在橋梁工程中得到了廣泛應(yīng)用[9-10]。但由于空心構(gòu)件內(nèi)側(cè)混凝土難以被有效約束，內(nèi)壁混凝土的極限壓應(yīng)變成為截面極限狀態(tài)的控制條件[11-12]。為了提高延性，在其內(nèi)壁增設(shè)鋼管形成了內(nèi)襯鋼管空心鋼筋混凝土構(gòu)件。

盡管很多學(xué)者進(jìn)行了構(gòu)件抗沖擊性能的相關(guān)研究，但目前關(guān)于內(nèi)襯鋼管空心鋼筋混凝土構(gòu)件在沖擊荷載下動(dòng)力響應(yīng)的研究還比較少。實(shí)際工程中的橋墩尺寸偏大，其內(nèi)襯鋼管也應(yīng)較大，八塊鋼板便于運(yùn)輸且八邊形鋼管的應(yīng)力分布較為均勻因此本實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)了一種內(nèi)襯八邊形鋼管空心鋼筋混凝土柱。賈志路等[13]研究了箱形鋼管混凝土疊合柱的抗沖擊性能，內(nèi)襯八邊形鋼管空心鋼筋混凝土柱與前者相比沒(méi)有四角的小鋼管混凝土，如圖1 所示。本文主要研究該類構(gòu)件在不同邊界條件、不同沖擊能量和不同軸壓比下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)及破壞模式，從而為該類構(gòu)件抗撞設(shè)計(jì)提供參考。

圖 1 兩種試件的剖面圖（mm）Fig. 1 Profiles of two specimens (mm)

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)設(shè)計(jì)的內(nèi)襯八邊形鋼管空心鋼筋混凝土柱質(zhì)量為681 kg，長(zhǎng)為1 800 mm，凈跨為1 200 mm，截面尺寸為400 mm×400 mm，箍筋間距在支座處為50 mm，在中間為100 mm，縱筋間距為164 mm，蓋板厚20 mm，為了防止支座端混凝土局部壓碎，在試件兩端加裝了套管。試件具體尺寸及配筋見(jiàn)圖2，剖面圖見(jiàn)圖3，鋼管壁厚3.91 mm?？紤]3 種不同的支承條件、2 種不同的沖擊高度以及有無(wú)軸壓共設(shè)計(jì)了10 個(gè)試件，各種鋼材的參數(shù)如表1 所示，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C60，立方體抗壓強(qiáng)度為62.6 MPa，彈性模量為36.2 GPa

圖 2 柱子立面和箍筋位置圖（mm）Fig. 2 Elevation and stirrup

圖 3 A-A 剖面（mm）Fig. 3 A-A profile (mm)

表 1 試件材料幾何尺寸和性質(zhì)Table 1 Geometry and properties of specimens

1.2 試驗(yàn)裝置和加載方式

試驗(yàn)在太原理工大學(xué)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的大型落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，裝置照片見(jiàn)圖4。采用壓梁的方式達(dá)到固支端所設(shè)計(jì)的固結(jié)條件，8 根地錨螺栓將下鋼梁與地槽牢固連接，上鋼梁壓緊試件固支端后用工具將上鋼梁上的螺栓擰緊，確保達(dá)到固結(jié)條件。對(duì)于試件簡(jiǎn)支端，用2 個(gè)小型人力千斤頂將上鋼梁平穩(wěn)升起，使上鋼梁的下表面與試件上表面保持200 mm 的間距以達(dá)到設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)支條件。不加軸壓的6 個(gè)試件在沖擊試驗(yàn)前整個(gè)裝置與右側(cè)如圖4（b）所示的疊型彈簧軸壓裝置斷開(kāi)；有軸壓的4 個(gè)試件在加壓端試件上下表面與支座之間放置滑塊，另一端上下表面則分別放置與滑塊等厚的鋼墊板，油壓千斤頂通過(guò)疊形彈簧為試件施加軸力，在疊形彈簧和試件端頭之間安裝軸力傳感器來(lái)測(cè)定軸力，加軸壓時(shí)的裝置示意圖見(jiàn)圖5，彈簧組積累的彈性變形能可以解決沖擊時(shí)由于試件向下?lián)锨嚰S向變形導(dǎo)致軸向力大小變化的問(wèn)題[14]。落錘試驗(yàn)機(jī)最大提升高度5.0 m，無(wú)導(dǎo)軌約束，試驗(yàn)中通過(guò)電葫蘆控制落錘升降，通過(guò)脫鉤器釋放落錘，沖擊點(diǎn)在跨中，錘頭頂部和底部之間有沖擊力傳感器進(jìn)行沖擊力時(shí)程測(cè)量。落錘總質(zhì)量1.15 t，具體參數(shù)如表2。

表 2 落錘參數(shù)Table 2 Parameters of drop-weight

圖 4 落錘沖擊試驗(yàn)裝置Fig. 4 Drop-weight impact test setup

試驗(yàn)記錄了沖擊力，軸力，跨中位移等相關(guān)數(shù)據(jù)。其中沖擊力和軸力數(shù)據(jù)由NIPXIe-1006Q 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過(guò)LabView SignalExpress 軟件采集和記錄，跨中位移時(shí)程通過(guò)高速攝像機(jī)對(duì)沖擊過(guò)程中觀測(cè)點(diǎn)的追蹤進(jìn)行記錄，沖擊結(jié)束后再用測(cè)量工具對(duì)跨中殘余撓度進(jìn)行測(cè)量，確保其準(zhǔn)確性。高速攝像機(jī)對(duì)沖擊全過(guò)程進(jìn)行記錄，拍攝頻率為每秒3 000 幀。

圖 5 試驗(yàn)裝置示意圖Fig. 5 Picture of testing setup

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

試件編號(hào)中，F(xiàn)F、FS、SS 分別代表兩端固支、固簡(jiǎn)支和兩端簡(jiǎn)支。每個(gè)試件編號(hào)的最后1 個(gè)數(shù)字代表沖擊高度，例如FF-2 表示兩端固支且沖擊高度為2 m 的試件。編號(hào)中的A 代表試件施加了軸力，A2 表示試件的軸壓比為0.2，A3 表示試件的軸壓比為0.3。例如A2-2 代表沖擊高度2 m 且軸壓比為0.2 的試件。最后一個(gè)試件RA3-5 為A3-5 的對(duì)比試件，無(wú)內(nèi)襯鋼管，沖擊高度5 m 且軸壓比為0.3。表格中的殘余撓度為測(cè)量工具所測(cè)殘余撓度值，沖擊能量定義為落錘自由落體的重力勢(shì)能。

2.2 破壞形態(tài)分析

圖6 給出了試件沖擊后的殘余變形。固簡(jiǎn)支試件左邊是固支端，右邊是簡(jiǎn)支端；加軸壓的試件左邊是固支端，右邊是滑動(dòng)支座端。兩端固支沖擊高度為2 m 時(shí)，跨中附近首先出現(xiàn)豎向自下向上延伸的彎曲型裂縫，個(gè)別彎曲裂縫向上延伸到一定高度后開(kāi)始斜向發(fā)展，支座附近出現(xiàn)的則是大致呈45°的剪切裂縫，自上向下發(fā)展。所以試件整體上為彎剪破壞形態(tài)，如圖6（a）所示；兩端簡(jiǎn)支沖擊高度為2 m 時(shí)，破壞形態(tài)及裂縫情況如圖6（e）所示，跨中裂縫均為豎向的彎曲型裂縫，主裂縫沒(méi)有貫通試件截面，支座附近無(wú)明顯斜裂縫，此時(shí)試件為彎曲型破壞。沖擊能量較低時(shí)，兩端固支試件較兩端簡(jiǎn)支試件破壞嚴(yán)重且破壞形態(tài)更趨于剪切型破壞；沖擊能量較高時(shí)，兩端簡(jiǎn)支試件外層混凝土剝落嚴(yán)重，跨中撓曲較大且底部鋼筋外露，與兩端固支的情況相比破壞程度加重，具體見(jiàn)圖6（b）、（f）。固簡(jiǎn)支試件的固支端會(huì)發(fā)生剪切破壞且程度較嚴(yán)重，簡(jiǎn)支端不發(fā)生剪切破壞或剪切破壞的程度較輕，具體見(jiàn)圖6（c）、（d）?？偟膩?lái)說(shuō)，固簡(jiǎn)支試件的主要破壞總表現(xiàn)在試件的固支端，簡(jiǎn)支端破壞較輕。軸壓比對(duì)破壞形態(tài)的影響因沖擊能量的大小而不同。沖擊能量較小時(shí)，跨中撓度較小，此時(shí)二階效應(yīng)的影響很小，主要考慮三向應(yīng)力狀態(tài)下另外兩向的抗壓強(qiáng)度隨軸向壓力的提高而增大，且壓應(yīng)力在一定范圍內(nèi)抗剪強(qiáng)度隨著壓應(yīng)力的提高而增大，此時(shí)隨著軸壓比的提升試件破壞程度減輕，具體見(jiàn)圖6（g）、（i）；沖擊能量較大時(shí)，跨中撓度較大，二階效應(yīng)起主導(dǎo)作用，附加彎矩隨軸壓比的提高而增大，試件破壞形態(tài)加劇，此時(shí)隨著軸壓比的提升試件破壞程度加重，具體見(jiàn)圖6（h）、（j）。

沖擊高度為5 m 的試件破壞形態(tài)與2 m 時(shí)相比，斜裂縫明顯增多增寬，外層混凝土剝落嚴(yán)重，部分鋼筋外露，局部破壞明顯，內(nèi)部鋼筋籠壓屈，外部混凝土因此受到環(huán)向拉應(yīng)力使得試件出現(xiàn)了明顯的橫向裂縫。隨著沖擊能量的增大，試件破壞形態(tài)更趨于剪切型破壞且程度加重。

本試驗(yàn)設(shè)計(jì)的內(nèi)襯八邊形鋼管空心鋼筋混凝土柱總體上表現(xiàn)出較好的抗沖擊性能。

圖 6 實(shí)驗(yàn)后試件破壞形態(tài)Fig. 6 Failure modes of specimens after testing

2.3 沖擊力時(shí)程曲線

圖7 給出了各試件的沖擊力時(shí)程曲線，可以看出，隨著沖擊高度的增加，沖擊力峰值顯著增大。

與以往其他沖擊試驗(yàn)相比，本試驗(yàn)落錘質(zhì)量較大，為1.15 t，無(wú)導(dǎo)軌約束，錘面直徑450 mm 大于試件截面寬度400 mm，且混凝土表面并不絕對(duì)平整，存在多次撞擊的可能，因此本批試件中的一部分出現(xiàn)了沖擊力時(shí)程曲線的二次峰值。沖擊力峰值具有瞬時(shí)性和偶然性，與接觸點(diǎn)的剛度大小有一定關(guān)系，且本批試件數(shù)量有限，因此差值不大的峰值大小比較關(guān)系并無(wú)太大意義。由于本次試驗(yàn)采用了應(yīng)變片式?jīng)_擊力傳感器，抗干擾性較差，因此本試驗(yàn)的部分試件出現(xiàn)了一些時(shí)間跨度很小的峰值，這種峰值無(wú)論正負(fù)，都不屬于有效峰值。

沖擊高度相同時(shí)，不同約束條件下沖擊力時(shí)程曲線的趨勢(shì)基本一致。由于內(nèi)襯八邊形鋼管空心鋼筋混凝土柱的整體剛度較大且外部沒(méi)有鋼管，沖擊能量以裂縫開(kāi)展及混凝土崩落的形式迅速擴(kuò)散，試件沒(méi)有形成塑性鉸，故沖擊力只有峰值沒(méi)有平臺(tái)值。支座條件的變化對(duì)沖擊力峰值影響較小，且隨著支座條件的改變沖擊力峰值的變化找不到明顯規(guī)律。軸壓比改變對(duì)沖擊力峰值的大小有一定影響，尤其當(dāng)沖擊能量較大時(shí)這種影響較為明顯。沖擊能量較低時(shí)，沖擊力峰值隨著軸壓比的提升略微降低；沖擊能量較高時(shí)，隨著軸壓比的提高沖擊力峰值顯著增大。

2.4 跨中位移時(shí)程曲線

不同試件的跨中位移時(shí)程曲線見(jiàn)圖8。由于所取參考長(zhǎng)度存在偏差，且高速攝像機(jī)記錄時(shí)長(zhǎng)有限，本次高速攝像機(jī)所記錄的時(shí)程曲線僅可以體現(xiàn)沖擊過(guò)程中跨中位移隨時(shí)間發(fā)展的變化規(guī)律，記錄的殘余撓度值并不準(zhǔn)確。所有試件的殘余撓度均以高度尺測(cè)量結(jié)果為準(zhǔn)，具體見(jiàn)表3。

圖 7 沖擊力時(shí)程曲線Fig. 7 The time history curves of impact force

圖 8 跨中位移時(shí)程曲線Fig. 8 The time history curves of mid-span displacement

由于本試件有內(nèi)襯鋼管，試件整體彈性較好，剛度較大。試件在經(jīng)受沖擊作用以后會(huì)發(fā)生較大振幅的上下振動(dòng)，尤其在沖擊高度為2 m 時(shí)表現(xiàn)得比較明顯。沖擊高度為2 m 時(shí)，跨中位移的回彈量很大，此時(shí)構(gòu)件基本處于彈性工作階段；沖擊高度為5 m 時(shí)，跨中位移回彈量占最大位移的比例大幅減小，構(gòu)件進(jìn)入彈塑性階段，發(fā)生了較大的塑性變形?？傮w上來(lái)說(shuō)，內(nèi)襯八邊形鋼管空心鋼筋混凝土柱的抗沖擊性能較好。沖擊高度為2 m 時(shí)，支座條件對(duì)殘余撓度的影響不明顯；沖擊高度為5 m 時(shí)，相比于兩端簡(jiǎn)支，兩端固支的支座條件可以使跨中殘余撓度減少25.6%，具體見(jiàn)表3。在軸壓比不超過(guò)0.3 的范圍內(nèi)，軸壓比的改變對(duì)沖擊結(jié)束后本試件的殘余撓度影響不大，具體見(jiàn)表3。

3 與無(wú)內(nèi)襯鋼管試件的對(duì)比

同批試驗(yàn)中做了一組無(wú)內(nèi)襯鋼管的空心鋼筋混凝土試件，剖面圖如圖9 所示，去掉了內(nèi)襯鋼管，增設(shè)了內(nèi)置鋼筋籠。內(nèi)置鋼筋籠的鋼筋型號(hào)直徑與外鋼筋籠完全相同且均與有內(nèi)襯鋼管的試件相同。內(nèi)置箍筋的分布間距與外箍筋完全相同且與有內(nèi)襯鋼管試件的外箍筋分布間距相同。這里取沖擊高度5 m、軸壓比為0.3 的有內(nèi)襯鋼管試件A3-5 和無(wú)內(nèi)襯鋼管試件RA3-5 進(jìn)行對(duì)比。兩種試件的破壞形態(tài)對(duì)比見(jiàn)圖10，沖擊力時(shí)程曲線對(duì)比見(jiàn)圖11，跨中位移時(shí)程曲線對(duì)比見(jiàn)圖12。

圖 9 空心鋼筋混凝土柱RA3-5 剖面圖（mm）Fig. 9 Profile of hollow reinforced concrete column (mm)

圖 10 兩種試件破壞形態(tài)對(duì)比圖Fig. 10 Comparison of two kinds of specimen failure

圖 11 兩種試件沖擊力對(duì)比圖Fig. 11 Comparison of impact force of two specimens

圖 12 兩種試件撓度對(duì)比圖Fig. 12 Comparison of two kinds of specimen deflection

從圖11 可以看出，兩種試件所承受的沖擊力基本相同。破壞形態(tài)方面的差距比較明顯，無(wú)內(nèi)襯鋼管的空心鋼筋混凝土試件RA3-5 剪切破壞嚴(yán)重，跨中區(qū)域嚴(yán)重下塹，部分箍筋完全裸露，左右各有一雙肢箍脫扣，右側(cè)還有一肢箍斷裂，具體見(jiàn)圖10（b）；同條件的內(nèi)襯八邊形鋼管空心鋼筋混凝土柱的破壞形態(tài)見(jiàn)圖10（a）。內(nèi)襯八邊形鋼管空心鋼筋混凝土柱比無(wú)內(nèi)襯鋼管的空心鋼筋混凝土柱的跨中殘余撓度減少了58.82%，兩根試件的殘余撓度值具體見(jiàn)表3。

通過(guò)以上對(duì)比可知，由于有內(nèi)襯鋼管，試件鋼筋籠沒(méi)有發(fā)生破壞，試件整體變形不明顯，在相同的沖擊荷載下殘余撓度較相應(yīng)的無(wú)內(nèi)襯鋼管試件大幅下降。用內(nèi)襯鋼管替代內(nèi)置鋼筋籠使得內(nèi)襯八邊形鋼管空心鋼筋混凝土柱的抗沖擊性能明顯優(yōu)于相應(yīng)的普通空心鋼筋混凝土構(gòu)件。

4 結(jié) 論

在本實(shí)驗(yàn)研究范圍內(nèi)，得出以下主要結(jié)論：

（1）內(nèi)襯八邊形鋼管空心鋼筋混凝土柱在不同沖擊能量下的變形不同。當(dāng)沖擊高度為2 m 時(shí)，主要表現(xiàn)為表面裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展，試件基本處于彈性階段；當(dāng)沖擊高度為5 m 時(shí)，外層混凝土剝落嚴(yán)重，試件殘余變形較大，進(jìn)入彈塑性工作階段。在其它條件一定的情況下，隨著沖擊能量的增大，試件的撓度變形顯著增大，破壞程度加重。

（2）支座條件的改變對(duì)試件破壞形態(tài)和殘余撓度有顯著影響。沖擊能量較大時(shí)，應(yīng)用兩端固支的支座條件可以大幅減小試件的殘余撓度，使試件破壞程度減輕，從而達(dá)到改善試件抗沖擊性能的目的。

（3）在軸壓比不超過(guò)0.3 的范圍內(nèi)，軸壓比的改變對(duì)沖擊結(jié)束后本內(nèi)襯八邊形鋼管空心鋼筋混凝土試件的殘余撓度影響不大。

（4）內(nèi)襯八邊形鋼管空心鋼筋混凝土柱總體上表現(xiàn)出較好的抗沖擊性能。由于有內(nèi)襯鋼管，試件鋼筋籠沒(méi)有發(fā)生破壞，試件整體變形不明顯，在相同的沖擊荷載下殘余撓度較相應(yīng)的無(wú)內(nèi)襯鋼管試件大幅下降。用內(nèi)襯鋼管替代內(nèi)置鋼筋籠使得構(gòu)件的抗沖擊性能明顯優(yōu)于相應(yīng)的普通空心鋼筋混凝土構(gòu)件。