張玉騰，張紀(jì)剛,2*，張景煜

(1.青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院，青島 266520；2.山東省高等學(xué)校藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)工程建設(shè)與安全協(xié)同創(chuàng)新中心，青島 266033；3.中建二局第二建筑工程有限公司，青島 266590)

工程結(jié)構(gòu)遭受恐怖襲擊、意外撞擊、自然災(zāi)害的發(fā)生率逐年增長，例如飛機(jī)撞擊高層建筑、車輛撞擊橋梁或停車場柱子、落石沖擊山區(qū)建筑等。特別地，隨著人口增長和城市化發(fā)展帶來的車輛和交通負(fù)荷的增加，使得車輛撞擊路邊建筑物的前柱、地下車庫柱子、高架橋墩等事故的報(bào)道更為顯著[1-2]。根據(jù)美國國家公路交通安全管理局的統(tǒng)計(jì)[3]，美國每年估計(jì)有1 000 輛卡車和公共汽車與橋梁相撞。柱作為工程結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵承重構(gòu)件，通常設(shè)計(jì)用于抵抗較大的軸向荷載，在側(cè)向沖擊荷載作用下可能引起局部損傷甚至引發(fā)結(jié)構(gòu)連續(xù)性倒塌，是威脅建筑及使用者安全的重要因素之一。

受路寬或停車場空間限制，國內(nèi)外現(xiàn)有橋墩防撞設(shè)計(jì)指南、規(guī)范中要求的防撞措施無法有效實(shí)現(xiàn)[4]，而現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范對結(jié)構(gòu)抗沖擊方面的規(guī)定也不完善，雖然中國2012年10月1日實(shí)施的《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》將建筑結(jié)構(gòu)所受荷載擴(kuò)充為永久荷載、可變荷載及偶然荷載三大類，首次將爆炸、撞擊等偶然荷載引入結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，但其內(nèi)容尚不能為結(jié)構(gòu)的抗沖擊設(shè)計(jì)提供可靠指導(dǎo)。

近年來，工程結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的抗沖擊性能受到了國內(nèi)外眾多學(xué)者的關(guān)注，主要集中在鋼筋混凝土梁和板：王明洋等[5]對低速?zèng)_擊作用下鋼筋混凝土板局部與整體變形和破壞做了理論分析，?zgür等[6]、Tolga等[7]對具有不同支撐類型和布局方式的鋼筋混凝土板進(jìn)行了落錘試驗(yàn)及有限元分析；Kishi等[8-9]對有無腹筋的簡支矩形混凝土梁、許斌等[10]對鋼筋混凝土深梁、竇國欽等[11]對高強(qiáng)鋼筋混凝土梁進(jìn)行了落錘試驗(yàn)；Erki等[12]對碳纖維增強(qiáng)聚合物(carbon fiber reinforced polymer,CFRP)加固鋼筋混凝土梁進(jìn)行側(cè)向沖擊試驗(yàn)。近幾年，國內(nèi)外學(xué)者傾向采用數(shù)值模擬開展研究工作，例如，Thilakarathna等[13]對預(yù)加軸力、李藝等[14]對混凝土強(qiáng)度、汪俊文等[15]對配筋率、Zhao等[16]對柱支承條件等因素對鋼筋混凝土柱沖擊性能的影響進(jìn)行數(shù)值模擬；王銀輝等[17]借助有限元對側(cè)向沖擊作用下鋼筋混凝土梁的慣性力分布做了進(jìn)一步研究。雖然數(shù)值模擬可以提供大量的模擬數(shù)據(jù)，但由于材料和結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性與準(zhǔn)靜態(tài)之間差距較大，在求解結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)問題時(shí)，不僅需要對不同區(qū)域采用不同的本構(gòu)關(guān)系，還要處理復(fù)雜的動(dòng)邊界問題，因此正確理解最基本的沖擊動(dòng)力學(xué)原理、概念和動(dòng)態(tài)變形機(jī)制是準(zhǔn)確建立模型的前提，而這一前提是建立在大量試驗(yàn)基礎(chǔ)之上的。

目前，國內(nèi)外關(guān)于側(cè)向低速?zèng)_擊作用下柱的試驗(yàn)研究還不夠系統(tǒng)、完善，為更好地總結(jié)、分析各類結(jié)構(gòu)和荷載參數(shù)對柱抗沖擊性能的影響，現(xiàn)梳理國內(nèi)外專家學(xué)者對鋼筋混凝土柱、鋼管混凝土柱及組合柱抗沖擊性能的試驗(yàn)方法及相關(guān)成果，以期為完善抗沖擊設(shè)計(jì)規(guī)范和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)提供一定幫助。

1 沖擊試驗(yàn)裝置的特點(diǎn)及適用情況

對柱進(jìn)行相關(guān)沖擊研究開始于20世紀(jì)70年代，研究手段包括理論分析與試驗(yàn)研究，而在試驗(yàn)研究初期，受試驗(yàn)裝置和數(shù)據(jù)采集設(shè)備的限制，主要通過準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)的方式進(jìn)行，直至20世紀(jì)90年代左右相關(guān)學(xué)者才設(shè)計(jì)研發(fā)了沖擊試驗(yàn)裝置。

Feyerabend[18]最早制作了用于鋼筋混凝土柱沖擊試驗(yàn)的重力式落錘試驗(yàn)裝置，見圖1，其工作原理是將一定質(zhì)量的落錘從指定高度垂直釋放，對試驗(yàn)構(gòu)件產(chǎn)生相應(yīng)的沖擊力。直至今日，重力式落錘裝置仍是在國內(nèi)外應(yīng)用最廣泛、操作最簡便的試驗(yàn)裝置。太原理工大學(xué)自主研發(fā)的DHR9401圓柱體平面錘頭落錘裝置是中國內(nèi)典型重力式落錘試驗(yàn)裝置(圖2)的代表，西南交通大學(xué)DHR9401楔形頭落錘裝置(圖3)也承擔(dān)了國內(nèi)外學(xué)者的試驗(yàn)工作。

圖1 帶鋼制平面錘頭的重力式落錘試驗(yàn)裝置示意圖[18]Fig.1 Gravity drop weight test device with steel flat hamm[18]

圖2 太原理工大學(xué)重力式落錘試驗(yàn)裝置Fig.2 Gravity drop hammer test device of Taiyuan University of Technology

圖3 西南交通大學(xué)重力式落錘試驗(yàn)裝置Fig.3 Gravity drop hammer test device of Southwest Jiaotong University

Demartino等[19]為彌補(bǔ)落錘試驗(yàn)裝置不能充分再現(xiàn)由于重力影響而產(chǎn)生的反彈條件的不足，設(shè)計(jì)了一種用于豎向構(gòu)件水平?jīng)_擊測試裝置，見圖4。南京工業(yè)大學(xué)重型超高落錘水平試驗(yàn)機(jī)是中國僅有的豎向構(gòu)件水平?jīng)_擊試驗(yàn)裝置，見圖5。

圖4 豎向構(gòu)件水平?jīng)_擊試驗(yàn)裝置示意圖[19]Fig.4 Schematic diagram of the horizontal impact test device for vertical members[19]

圖5 南京工業(yè)大學(xué)水平撞擊試驗(yàn)裝置Fig.5 Horizontal impact test device of Nanjing Tech University

Tsang等[20]利用Push-over軟件基于能量守恒原理研究了車輛撞擊作用下建筑底層柱的抗沖擊性能，發(fā)現(xiàn)撞擊體的剛度會(huì)顯著影響目標(biāo)體的動(dòng)力響應(yīng)。歐洲標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)：歐洲規(guī)范1(European Committee for Standardization：Eurocode 1,EC1)[21]基于沖擊過程的能量耗散機(jī)制將沖擊分為：①硬沖擊：初始動(dòng)能由撞擊物體耗散，例如帶有可變形船頭的船舶和車輛與混凝土結(jié)構(gòu)的碰撞；②軟沖擊：大部分初始動(dòng)能被沖擊結(jié)構(gòu)耗散，如巖石和剛性物體對混凝土結(jié)構(gòu)的沖擊。而國內(nèi)外學(xué)者愿意將撞擊體變形的行為稱為柔性沖擊，例如趙武超等[22]開展了柔性沖擊下鋼筋混凝土柱的動(dòng)態(tài)響應(yīng)的數(shù)值模擬。

為了獲得更加真實(shí)的柱受汽車撞擊的動(dòng)力響應(yīng)情況，Loedolff[23]考慮車輛潰縮設(shè)計(jì)了撞擊體頭部帶有緩沖部件的水平(擺錘)式?jīng)_擊試驗(yàn)裝置，以模擬柔性沖擊工況。試驗(yàn)裝置如圖6(a)所示，撞擊體組成如圖6(b)所示，緩沖部件由鋼管組成，并限定緩沖部件的最終壓潰變形量。

圖6 柔性沖擊試驗(yàn)裝置示意圖[23]Fig.6 Schematic diagram of the flexible impact test device[23]

孟一[24]發(fā)明了一種可潰縮落錘錘頭，見圖7(a)所示，用于柔性沖擊試驗(yàn)。當(dāng)錘頭下落與試驗(yàn)構(gòu)件產(chǎn)生接觸時(shí)，彈簧壓縮實(shí)現(xiàn)錘頭潰縮直至與上部配重承臺(tái)剛接形成一個(gè)整體，隨后可模擬車輛潰縮變形后，發(fā)動(dòng)機(jī)與試件的剛性沖擊，試驗(yàn)裝置如圖7(b)所示。但該試驗(yàn)裝置尚未應(yīng)用至相應(yīng)的沖擊試驗(yàn)中。

圖7 含可潰縮錘頭的落錘試驗(yàn)裝置示意圖[24]Fig.7 Drop weight test device with collapsible hammer[24]

綜上可以看出，現(xiàn)階段大部分學(xué)者在開展沖擊試驗(yàn)研究時(shí)，不考慮撞擊體的變形，將其簡化為剛性沖擊問題，將初始動(dòng)能全部施加至目標(biāo)體，將其認(rèn)為是對目標(biāo)體損害的極限條件，故試驗(yàn)結(jié)果對于設(shè)計(jì)指導(dǎo)偏于安全。

2 鋼筋混凝土柱的試驗(yàn)研究

Loedolff[23]對底部固結(jié)的8組共36個(gè)試件進(jìn)行了靜態(tài)試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)(首次柔性沖擊試驗(yàn))發(fā)現(xiàn)：在沖擊荷載的最大峰值接近靜載試驗(yàn)破壞荷載的試驗(yàn)條件下，相比于靜態(tài)試驗(yàn)柱底部發(fā)生彎曲破壞，沖擊荷載下柱子下部區(qū)域發(fā)生了更為嚴(yán)重的剪切破壞。在沖擊試驗(yàn)中，隨著軸壓的增加，低配筋率鋼筋混凝土(reinforced concrete,RC)柱的抗沖擊能力增幅低于高配筋率RC柱，顯示出軸壓及配筋率對RC柱抗沖擊性能的顯著影響。

Huynh等[25]使用落錘沖擊試驗(yàn)進(jìn)行了16個(gè)具有簡單邊界條件的活性粉末混凝土(reactive powder concrete,RPC)柱縮尺試件沖擊試驗(yàn)，包括高強(qiáng)度混凝土柱、具有活性粉末(RPC)混凝土外殼的高強(qiáng)度混凝土芯柱和活性粉末混凝土柱，研究其失效模式、延展性和吸能力(抗沖擊性)的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：使用RPC可以提高混凝土柱的吸能能力，且軸力及其偏心距對柱子的抗沖擊能力和受沖擊破壞模式均有顯著影響。

Demartino等[19]利用自主研發(fā)的試驗(yàn)裝置完成了在不同邊界條件下10個(gè)具有不同箍筋間距圓形RC柱的剛性沖擊試驗(yàn)。結(jié)果表明，配筋率和邊界條件對結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)和損傷均有顯著影響。試驗(yàn)中柱大多呈脆性剪切型破壞，其特征是由柱底至沖擊點(diǎn)的一條主斜裂縫，揭示了柱構(gòu)件的高易損性。作者反復(fù)觀察水平?jīng)_擊試驗(yàn)過程中錘頭與試樣接觸和分離的相對運(yùn)動(dòng)過程發(fā)現(xiàn)：與常規(guī)落錘沖擊試驗(yàn)相比，水平?jīng)_擊試驗(yàn)得到的沖擊力-時(shí)程曲線在穩(wěn)定階段波動(dòng)較大，這是因?yàn)槁溴N重力加速度的存在和落錘沖擊試驗(yàn)中較大的速度加速了錘子和試樣之間反復(fù)接觸和分離的過程。

吳吉光等[26]在Demartino等[19]的工作基礎(chǔ)上，分析了沖擊速度和配箍率對懸臂圓形RC柱抗沖擊性能影響，試驗(yàn)表明：增加配箍率可顯著提高柱的抗變形能力并減少?zèng)_擊對混凝土柱的損傷。該試驗(yàn)進(jìn)一步完善了圓形RC柱抗側(cè)向沖擊性能的研究成果。

Cai等[27]和Ye等[28]分析了長細(xì)比對鋼筋混凝土柱抗沖擊性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果顯示，橫截面尺寸較大的試件沖擊力隨時(shí)間變化曲線較豐滿，沖擊力峰值后的分離時(shí)間較短。試件長細(xì)比的提高導(dǎo)致抗彎剛度降低，抗彎剛度值較小的試件受沖擊損傷情況更嚴(yán)重。隨著沖擊高度的增加，觀察到柱呈受彎破壞，其特征是受拉鋼筋的屈服和混凝土保護(hù)層的剝落。Cai等[27]還將試驗(yàn)結(jié)果與美國國家高速公路和交通運(yùn)輸協(xié)會(huì)(American Association of State Highway and Transportation Officials,AASHTO)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的沖擊等效靜力比較后發(fā)現(xiàn)：僅與沖擊重量和速度有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)方程會(huì)高估等效靜力，導(dǎo)致抗沖擊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過于保守。Ye等[28]對沖擊損傷試件進(jìn)行了靜載試驗(yàn)，以評估其殘余抗力及相應(yīng)的性能，發(fā)現(xiàn)損傷試件的極限承載力降低了7%～14%。

Wei等[29]對比分析了半球形錘頭沖擊方形RC柱和超高性能混凝土柱(ultra-high performance concrete,UHPC)柱、楔形錘頭沖擊圓形RC柱和UHPC柱的動(dòng)力響應(yīng)及損傷程度。結(jié)果表明：RC柱均經(jīng)歷了脆性剪切破壞，并且大部分混凝土碎裂，而UHPC柱在嚴(yán)重沖擊情況下僅表現(xiàn)出輕微的彎曲損傷，顯示出更高的抗沖擊性能。劉艷輝等[30]使用落錘裝置對軸壓為0和200 kN的鋼筋混凝土柱高2/9處進(jìn)行了沖擊試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)軸力的存在使構(gòu)件的破壞更嚴(yán)重。

Gholipour等[31]對不同軸壓的RC柱進(jìn)行數(shù)值模擬后發(fā)現(xiàn)RC柱的峰值沖擊力與失效模式受沖擊點(diǎn)和支撐之間距離的影響很大。Do等[32]指出對于自重較大的足尺鋼筋混凝土柱，慣性對其動(dòng)力響應(yīng)的影響非常顯著。自此，國內(nèi)外學(xué)者開始關(guān)注縮尺試件與原型柱的初始沖擊響應(yīng)之間存在的差異情況。Gurbuz等[33]在落錘試驗(yàn)裝置下測試并評估了四個(gè)足尺軸向加載的RC柱的沖擊性能，研究表明：軸壓比顯著影響柱的動(dòng)力響應(yīng)和破壞模式。

相較于國外研究進(jìn)展情況，中國對于鋼筋混凝土柱側(cè)向沖擊性能研究的豐富性和系統(tǒng)性還有待進(jìn)一步完善。國內(nèi)外專家學(xué)者對側(cè)向低速?zèng)_擊作用下鋼筋混凝土柱的試驗(yàn)信息匯總見表1。

表1 低速?zèng)_擊鋼筋混凝土柱試驗(yàn)信息匯總表Table 1 Summary of low-velocity impact reinforced concrete column test information

綜上所述，國內(nèi)外專家學(xué)者主要利用落錘裝置，少數(shù)采用水平?jīng)_擊裝置分析了試件尺寸、端部約束方式、軸壓、配筋率、混凝土強(qiáng)度等因素對縮尺RC柱抗沖擊性能的影響，得到的較為一致的結(jié)論有：①試件尺寸、軸壓及配筋率顯著影響RC柱的抗沖擊性能，軸力的存在使構(gòu)件的破壞更嚴(yán)重；②固-簡約束比懸臂邊界條件對RC柱的動(dòng)力響應(yīng)和損傷的影響更為顯著；③一定范圍內(nèi)，混凝土強(qiáng)度的提高可以增強(qiáng)柱的抗沖擊性能。由于現(xiàn)有試驗(yàn)研究側(cè)重點(diǎn)不同、試驗(yàn)條件差異性大，相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)難以進(jìn)行相關(guān)性分析。

此外，也注意到鋼筋混凝土柱側(cè)向低速?zèng)_擊試驗(yàn)研究還存在一些不足，有待更多試驗(yàn)的進(jìn)一步驗(yàn)證，主要包括：①?zèng)_擊界面方面，Adhikary等[34]對RC梁進(jìn)行了落錘沖擊試驗(yàn)后，強(qiáng)調(diào)“沖擊界面(即直接撞擊或在撞擊體與構(gòu)件之間設(shè)有某種界面，如鋼板或膠合板、石英砂等)可能是當(dāng)前試驗(yàn)程序中未觀察到引起構(gòu)件失效模式變化的原因之一”。在文獻(xiàn)[25-27]、RC梁[35-36]、RC墻[37]的試驗(yàn)中，作者為了保證沖擊力的有效傳遞、防止錘頭與構(gòu)件單點(diǎn)接觸造成局部損壞等原因在錘頭與構(gòu)件之間均增設(shè)了額外截面，但并未設(shè)置對比組以探求沖擊界面與構(gòu)件動(dòng)力響應(yīng)之間的關(guān)系。②沖擊位置方面，對于汽車撞擊建筑物柱等情況，其沖擊位置較低，文獻(xiàn)[22,30]較真實(shí)地還原了事故背景，文獻(xiàn)[27-28]的試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著沖擊高度的增加，柱的破壞模式從剪切變?yōu)閺澢茐摹Ｈ绾未_定柱受沖擊的最不利位置，將是未來研究的一個(gè)重要方向。③沖擊錘頭方面，現(xiàn)階段大多數(shù)學(xué)者基于自有試驗(yàn)設(shè)備(圓柱形平面錘頭)進(jìn)行了若干剛性沖擊試驗(yàn)，Kishi等[8]使用不同形狀的錘頭沖擊RC梁后認(rèn)為構(gòu)件的沖擊行為不受錘頭形狀的顯著影響；王明洋等[38]對矩形截面RC梁的沖擊簡化計(jì)算發(fā)現(xiàn)，平面形錘頭較楔形錘頭(頭部呈90°)在侵徹和局部變形中消耗的能量最少，絕大部分沖擊能量傳給了被沖擊構(gòu)件，認(rèn)為平面錘頭是最不利的沖擊形狀。而在RC柱的試驗(yàn)中，文獻(xiàn)[27-28]發(fā)現(xiàn)了錘頭直徑與柱長之比對構(gòu)件局部屈曲的顯著影響，文獻(xiàn)[29]使用不同形狀的錘頭對比了RC柱的破壞趨勢，未再對錘頭形狀及尺寸對構(gòu)件的局部響應(yīng)與破壞的影響情況進(jìn)行具體討論。因此，降低試驗(yàn)條件對結(jié)果的干擾，提高試驗(yàn)因素對沖擊性能影響的敏感性，獲得更科學(xué)合理的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，將是未來側(cè)向低速?zèng)_擊作用下鋼筋混凝土柱試驗(yàn)的重要任務(wù)。

3 鋼管混凝土柱的試驗(yàn)研究

文獻(xiàn)[39]較早開展了鋼管混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件在沖擊荷載下性能的研究，文獻(xiàn)[40-41]定性介紹了鋼管混凝土具有的良好耐撞性；Prichard等[42]對比了70個(gè)由鋼(不同厚度)、鋁或塑料的薄壁空心管限制的混凝土圓柱體受軸向沖擊作用的響應(yīng)情況，為鋼管混凝土柱的抗沖擊研究奠定了試驗(yàn)基礎(chǔ)。

對于受側(cè)向沖擊作用的鋼管混凝土柱的研究主要成果如下。

李珠等[43-44]對固-簡與固-固邊界條件的鋼管混凝土構(gòu)件進(jìn)行的側(cè)向沖擊試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：在側(cè)向荷載作用下，材料有明顯的屈服階段，鋼管混凝土構(gòu)件表現(xiàn)出良好的延性；試驗(yàn)還揭示了鋼管厚度、套箍系數(shù)、沖擊速度等因素對構(gòu)件臨界沖擊破壞能的顯著影響，為進(jìn)一步研究奠定了基礎(chǔ)。

王蕊等[45]、李立軍等[46]在文獻(xiàn)[43]的基礎(chǔ)上，對套箍系數(shù)分別為1、1.15和1.9的兩端簡支鋼管混凝土梁在不同側(cè)向沖擊能作用下的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：套箍系數(shù)是影響構(gòu)件臨界破壞能量的最重要因素，套箍系數(shù)能夠有效降低其撓度；臨界破壞能是套箍系數(shù)的二次函數(shù)。

任夠平等[47]對不同壁厚、兩端簡支和固-簡邊界條件的鋼管混凝土構(gòu)件在側(cè)向沖擊作用下的橫向撓度和撓曲線進(jìn)行了試驗(yàn)測試。試驗(yàn)結(jié)果顯示：在側(cè)向沖擊下，鋼管混凝土柱跨中最終撓度變化與沖擊能量變化成線性關(guān)系，與套箍系數(shù)變化趨勢相反，與支座約束強(qiáng)度變化趨勢相反。建議從增強(qiáng)支座約束、加大構(gòu)件套箍系數(shù)方面提高鋼管混凝土柱抗側(cè)向沖擊能力。

李珠、王蕊等的一系列研究成果相輔相成，首次較為系統(tǒng)地研究了不同套箍系數(shù)、邊界條件等不同鋼管混凝土構(gòu)件在側(cè)向沖擊載荷作用下的動(dòng)力響應(yīng)，并進(jìn)一步對更多尺寸的試件進(jìn)行數(shù)值模擬，為工程實(shí)際提供了可靠的理論依據(jù)。

Remennikov等[48]對普通鋼管混凝土、Bambach[49]對不銹鋼鋼管混凝土、Yousuf等[50-51]對低碳鋼鋼管混凝土在側(cè)向沖擊荷載下的強(qiáng)度和延性進(jìn)行試驗(yàn)研究，比較結(jié)果發(fā)現(xiàn)構(gòu)件含鋼率及鋼材強(qiáng)度的提高對抗側(cè)向沖擊能力的提升有顯著影響。

Deng[52-53]、Han等[54]、Shakir等[55]對落錘沖擊水平放置的鋼管混凝土柱的試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，混凝土填充可以提高長管的最大沖擊力，但比例低于短管和中管。

Deng等[53]對高強(qiáng)鋼管混凝土，Wang等[56](圖8)對超輕混凝土，Han等[54]、楊有福等[57-58]對鋼管再生混凝土的研究發(fā)現(xiàn)：混凝土強(qiáng)度的變化對其抗側(cè)向沖擊能力的影響較小。

圖8 配R30楔形錘頭的重力落錘測試裝置[56]Fig.8 Gravity drop hammer test device with R30 wedge-shaped hammer head [56]

王瀟宇等[59]對比了部分填充(填充40%，高度600 mm) 鋼管混凝土柱與完全填充鋼管混凝土柱在柱高400 mm處作用側(cè)向沖擊荷載的破壞機(jī)理，試驗(yàn)表明：混凝土填充有利于提高抗沖擊性能；固-簡的鋼管混凝土柱易發(fā)生受剪破壞，而懸臂柱則發(fā)生根部彎曲破壞。

王宇[60-61]是中國較早提出應(yīng)在試驗(yàn)中考慮上層構(gòu)件或設(shè)備跌落造成二次或多次撞擊情況的學(xué)者，先后研究的單層鋼管混凝土柱在兩次和雙層鋼管混凝土柱在三次側(cè)向沖擊作用下的動(dòng)力響應(yīng)試驗(yàn)顯示出鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在多次沖擊作用下仍具有良好的抗沖擊性能。

王路明等[62]為真實(shí)反映構(gòu)件底部遭遇車輛沖擊的工程背景，在前期鋼筋混凝土柱抗側(cè)向沖擊試驗(yàn)(文獻(xiàn)[30])基礎(chǔ)上，再次使用落錘試驗(yàn)裝置研究了沖擊點(diǎn)位于試件2/9凈跨處的鋼管混凝土構(gòu)件發(fā)生變形、開裂及斷裂的受力機(jī)理，對比了相同試驗(yàn)條件下、不同類型柱構(gòu)件的抗側(cè)向沖擊能力的成果。

國內(nèi)外專家學(xué)者對側(cè)向低速?zèng)_擊作用下鋼管混凝土柱的試驗(yàn)信息匯總見表2。

表2 低速?zèng)_擊鋼管混凝土柱試驗(yàn)信息匯總表Table 2 Summary table of test information for low-velocity impact concrete-filled steel tubular columns

續(xù)表2

鋼管混凝土柱側(cè)向低速?zèng)_擊試驗(yàn)成果較RC柱更為豐富，主要研究成果：①混凝土填充能夠大幅提高鋼管柱的抗沖擊性能；②鋼材強(qiáng)度、套箍系數(shù)能夠有效提高其側(cè)向沖擊能力；③混凝土強(qiáng)度、邊界條件對構(gòu)件側(cè)向沖擊能力的影響不明顯；④鋼管混凝土柱抵抗二次沖擊的能力更好。

此外，也注意到試驗(yàn)研究還存在一些不足：①尺寸效應(yīng)方面，鋼管混凝土抗沖擊性能的試驗(yàn)幾乎全部采用縮尺模型，一般橫截面為原型尺寸的1/5～1/8，也有1/50的縮尺試件，并未有試驗(yàn)驗(yàn)證文獻(xiàn)[31-32]中提到的尺寸效應(yīng)對構(gòu)件抗沖擊性能的影響；②沖擊位置方面，與RC柱相類似的，大多數(shù)試驗(yàn)研究沖擊了鋼管混凝土柱的跨中位置，不能反映汽車、輪船撞擊的真實(shí)工況，還需進(jìn)行更多試驗(yàn)以分析其受側(cè)向沖擊后構(gòu)件發(fā)生變形、開裂及斷裂的受力機(jī)理。

4 組合柱的試驗(yàn)研究

4.1 鋼-混組合柱的試驗(yàn)研究

隨著社會(huì)發(fā)展的需要，各種新型鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)問世[63]，在高層和超高層建筑、橋梁工程中的應(yīng)用越來越廣泛[64-65]，它們具有高承載力、高延性和耐火性能，已得到國內(nèi)外的一致認(rèn)可，而它們的抗沖擊性能也受到國內(nèi)外學(xué)者的重視。

在圓形鋼-混組合柱層面，胡昌明等[66]對鋼管混凝土疊合試件(圖9)，朱翔等[67-68]對實(shí)心夾層鋼管混凝土柱、空心夾層鋼管混凝土柱、內(nèi)插雙 H 型鋼鋼管混凝土柱等三種截面類型的復(fù)合柱(圖10)和外包鋼管加固RC柱(圖11)[69]；朱翔等[70]、Wei等[71]對型鋼混凝土圓鋼管柱[圖12、圖10(b)]，Liu等[72]對十字型鋼混凝土柱[圖10(b)]的抗沖擊性能進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)研究。文獻(xiàn)[66-70]發(fā)現(xiàn)隨著沖擊高度的增加，試件表面觀察到的彎曲裂紋和剪切裂紋越來越密集、越來越寬；文獻(xiàn)[68]表明在相同外徑和用鋼量前提下，實(shí)心夾層鋼管混凝土抗沖擊性能最佳；文獻(xiàn)[69]證實(shí)外包鋼管加固RC柱是一種可行的抗沖擊加固措施。雖然試驗(yàn)的邊界條件、軸壓比、鋼管厚度、型鋼尺寸、混凝土強(qiáng)度等關(guān)鍵參數(shù)不盡相同，但在一定軸壓比范圍內(nèi)，不同截面類型的圓形鋼-混組合柱均表現(xiàn)出優(yōu)于普通鋼筋混凝土柱的性能。

圖9 圓形鋼管混凝土疊合試件側(cè)向沖擊試驗(yàn)[66]Fig.9 Lateral impact test on round steel pipe concrete laminated specimens [66]

圖10 三種復(fù)合柱剖面圖Fig.10 Sections of three composite columns

圖11 外包鋼管加固RC柱剖面圖[69]Fig.11 Section of RC column reinforced by outer wrapped steel pipe[69]

圖12 H型鋼鋼管混凝土柱剖面圖Fig.12 Sectional view of H-section CFST column

朱翔團(tuán)隊(duì)基于工程實(shí)踐取得的豐碩研究成果為新建大型鐵路站房柱抗沖擊選擇最優(yōu)截面和加固措施提供了系統(tǒng)、有效的試驗(yàn)依據(jù)。

在方形鋼-混組合柱層面，司強(qiáng)等[73]、Hui等[74]研究了內(nèi)置八邊形鋼管的空心鋼筋混凝土構(gòu)件(圖13)的力學(xué)性能，試驗(yàn)結(jié)果顯示：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。朱翔等[75]對比了不同沖擊速度、沖擊能量、軸壓和邊界條件等因素對鋼骨混凝土構(gòu)件(圖14)的動(dòng)力響應(yīng)的影響，較為全面分析了鋼骨混凝土柱的抗沖擊性能。

圖13 內(nèi)置八邊形鋼管柱剖面圖Fig.13 Sectional view of built-in octagonal steel pipe column

圖14 鋼骨混凝土柱剖面圖[75]Fig.14 Section of steel and concrete column[75]

上述成果均為單次沖擊試驗(yàn)，劉焱華[76]對廣泛應(yīng)用于建筑承載邊柱、角柱的內(nèi)置L形鋼骨的型鋼混凝土方柱(圖15)進(jìn)行了三次重復(fù)沖擊作用，試件總體呈現(xiàn)“S”形變形，且均未出現(xiàn)坍塌、穿孔等現(xiàn)象，整體性較好；對三次沖擊損傷型鋼混凝土(steel reinforced concrete，SRC)柱的單軸抗壓試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其具有較高的承載能力，展示出型鋼混凝土柱良好的抗沖擊性能。

圖15 L形配鋼型鋼混凝土方柱剖面圖[76]Fig.15 Sectional view of L-shaped steel-section steel-concrete square column[76]

4.2 復(fù)合材料組合柱

利用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(FRP)加固混凝土柱是近年來的研究熱門，Pham等[77]證實(shí)了靜態(tài)條件下柱外包裹FRP加固方式可有效提高抗壓強(qiáng)度、應(yīng)變和延展性，其他相關(guān)文獻(xiàn)介紹了沖擊荷載下FRP復(fù)合材料的沖擊性能[78-79]。在此基礎(chǔ)上，選擇合適的FRP種類及加固方式以提高RC柱的抗沖擊能力成了國內(nèi)外專家學(xué)者研究FRP應(yīng)用的重要方向。

Fuhaid等[80]對比了外包芳綸纖維增強(qiáng)聚合物(AFRP)護(hù)套和鋼筋混凝土護(hù)套對提高RC柱抗沖擊性能的提升情況，試驗(yàn)表明AFRP護(hù)套雖然可以減小RC柱的最大側(cè)向位移和殘余位移，但不能消除其內(nèi)部損傷；且AFRP護(hù)套對柱子抵御撞擊的效果不如鋼筋混凝土護(hù)套。Xiao等[81]使用落錘裝置對碳纖維增強(qiáng)聚合物(CFRP)加固封閉式鋼管混凝土(concrete filled steel,CFT)柱進(jìn)行了試驗(yàn)分析。結(jié)果表明：增加鋼管的厚度并通過CFRP提供額外的橫向約束可以增強(qiáng)CFT構(gòu)件的抗沖擊行為。劉偉慶、王俊團(tuán)隊(duì)是中國較早研究GFRP-鋼組合柱抗沖擊性能的專家。在其帶領(lǐng)下，李洋[82]、劉強(qiáng)強(qiáng)等[83]對側(cè)向沖擊作用下玻璃纖維復(fù)合材料(GFRP)包裹鋼管的動(dòng)力響應(yīng)與抗沖擊性能進(jìn)行了分析，試驗(yàn)表明：增加GFRP的厚度，可以加強(qiáng)鋼管的約束作用，使試件在相對較小的位移之內(nèi)耗散更多的沖擊能量，提高了試件的抗沖擊性能。Pham等[84]研究了縱向玻璃纖維復(fù)合(GFRP)筋配筋率對混凝土柱側(cè)向沖擊響應(yīng)的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：縱向GFRP配筋率對柱的破壞形態(tài)和抗沖擊能力有重要影響，但對沖擊力峰值的影響較小。

除了FRP材料外，還有更多種類加固材料的抗沖擊性能有待探究，例如黃微波[85]提出聚脲彈性體作為外部涂層或襯里可顯著提高建筑物的抗爆能力，但考慮經(jīng)濟(jì)及操作便捷性，尚未有學(xué)者開展其在低速?zèng)_擊作用下的加固試驗(yàn)。又例如高強(qiáng)鋼絲織物復(fù)合材料(steel reinforced polymer,SRP)具有資源充足、經(jīng)濟(jì)性高、抗剪切性能強(qiáng)等優(yōu)勢[86]，Ascione等[87]證實(shí)SRP材料加固的結(jié)構(gòu)在表現(xiàn)出更高的韌性和能量耗散，但尚未有關(guān)于利用SRP加固抵抗沖擊的研究。

雖然各類組合柱在側(cè)向低速?zèng)_擊作用下的良好沖擊性能已得到國內(nèi)外專家學(xué)者的認(rèn)可，但由于組合柱的截面類型迥異、材料類型多樣化，造成試驗(yàn)研究獨(dú)立性強(qiáng)、成果相關(guān)性差，因此該領(lǐng)域還需加強(qiáng)試驗(yàn)研究，以便為側(cè)向沖擊與加固的理論研究提供更多更有效的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

5 研究展望

目前，國內(nèi)外專家對柱結(jié)構(gòu)在側(cè)向沖擊作用下的動(dòng)力響應(yīng)開展了一系列試驗(yàn)研究，取得了較為豐碩的成果，在該領(lǐng)域也形成了部分共識(shí)，但仍存在若干亟待解決的問題。

(1)當(dāng)前側(cè)向低速?zèng)_擊的柱的試驗(yàn)研究成果已涵蓋多個(gè)角度，但不同學(xué)者的研究側(cè)重點(diǎn)不同，造成試驗(yàn)條件差異性大、試驗(yàn)數(shù)據(jù)波動(dòng)性大等問題，試驗(yàn)數(shù)據(jù)難以進(jìn)行回歸分析，使得抗沖擊性能影響因素的研究大多是定性的，尚未形成定量關(guān)系，與形成相關(guān)抗沖擊設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)還有較大差距。

(2)雖然，Pham等[88]專家的數(shù)值模擬結(jié)果再次強(qiáng)調(diào)了接觸剛度對沖擊力峰值和持續(xù)時(shí)間的顯著影響，但接觸剛度的試驗(yàn)條件較為苛刻，現(xiàn)階段大多實(shí)體試驗(yàn)仍以剛性沖擊為主，其中落錘試驗(yàn)裝置因可操作性高而受到國內(nèi)外專家的青睞，然而考慮結(jié)構(gòu)響應(yīng)中的慣性影響、落錘受重力影響而反彈不足的問題，為更加真實(shí)地還原撞擊條件，對于柱這類豎向構(gòu)件應(yīng)更多的開展足尺試件的水平?jīng)_擊試驗(yàn)，并且科學(xué)調(diào)整撞擊位置，提高試驗(yàn)數(shù)據(jù)對理論分析和數(shù)值模擬的指導(dǎo)意義。

(3)由于摩擦導(dǎo)致的沖擊試驗(yàn)?zāi)芰繐p失會(huì)影響錘頭的沖擊速度和能量，而大多數(shù)學(xué)者在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)為簡化工作程序，將下落高度與錘頭質(zhì)量代入相關(guān)公式計(jì)算得出沖擊速度及能量，默認(rèn)忽略了能量損失，使得沖擊試驗(yàn)的結(jié)果可能存在一定誤差。

(4)目前大多數(shù)學(xué)者對柱構(gòu)件在側(cè)向沖擊荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)研究是單次的，未考慮到實(shí)際工程事故中可能會(huì)有來自上一層構(gòu)件或設(shè)備跌落造成的二次或多次沖擊損傷，且未較少關(guān)注沖擊損傷后柱的殘余力學(xué)性能，還不能為柱在遭受沖擊荷載下的合理設(shè)計(jì)及加固防護(hù)提供更多的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

(5)對各類復(fù)合材料的加固機(jī)理須進(jìn)行更多的試驗(yàn)研究，優(yōu)化加固位置、加固方式與抗沖擊性能的關(guān)系，將是現(xiàn)有柱結(jié)構(gòu)抵御側(cè)向沖擊的重要研究方向。