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鋼管混凝土梁在側(cè)向沖擊荷載作用下動力響應(yīng)的試驗研究和數(shù)值模擬

王蕊   李珠   任夠平  張善元

(太原理工大學(xué)，山西太原030024)

引言

    鋼管混凝土構(gòu)件和其他材料的結(jié)構(gòu)構(gòu)件一樣，在役期間，不可避免地要受到意外撞擊，如颶風(fēng)飛卷的碎片和失事飛機對高層、超高層建筑的沖擊，船舶因偏離航線對橋梁和海上鉆井平臺的撞擊，爆炸對地面及地下結(jié)構(gòu)的沖擊，汽車對結(jié)構(gòu)的意外碰撞等。鋼管混凝土常作為建筑結(jié)構(gòu)的梁、柱等承重結(jié)件，其遭受撞擊時，一旦損傷和破壞將引起生命和財產(chǎn)的巨大損失。因此，對其撞擊破壞的研究有著十分重要的工程背景，越來越受到工程界的高度重視。隨著鋼管混凝土在建筑、交通、核電站、軍事等領(lǐng)域的廣泛使用，急需對鋼管混凝土的耐撞性做出評價。鋼管混凝土由鋼管和內(nèi)填混凝土組成，其在撞擊載荷作用下的損傷和破壞問題屬于塑性動力學(xué)的研究范疇。研究此類問題時要考慮幾何和物理的非線形效應(yīng)，是一個非常復(fù)雜的問題。目前，對以梁、柱見長的鋼管混凝土，因其大量使用較晚，對其耐撞性研究較少。在文獻(xiàn)中，只定性分析得到鋼管混凝土具有良好的耐撞性；文獻(xiàn)僅對鋼管混凝土短柱的軸向撞擊進(jìn)行了試驗研究。對鋼管混凝土構(gòu)件在服役期間側(cè)向撞擊、偏心撞擊的多發(fā)工況在試驗分析和理論研究上均屬空白。

    為了給工程實際提供可靠的理論設(shè)計依據(jù)，本文首次較為系統(tǒng)地研究了不同套箍系數(shù)的鋼管混凝土在橫向沖擊載荷作用下的動力響應(yīng)，并對試驗過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到的試件殘余變形模態(tài)和沖擊力時程曲線與試驗中記錄的非常吻合。進(jìn)一步對更多尺寸的試件進(jìn)行數(shù)值模擬，得到鋼管混凝土破壞的臨界能量，為工程設(shè)計提供了理論依據(jù)。

表1試件幾何和材料性質(zhì)

    其中：σy為鋼材的屈服強度；δ為鋼材的延伸率。

表2試件編號和研究結(jié)果

一、試驗設(shè)備及試件

    本試驗在加載裝置DHR9401式?jīng)_擊試驗臺上完成。沖擊試驗機高達(dá)l3．47 m，相應(yīng)的撞擊速度最高可達(dá)l5．7 m／s；落錘質(zhì)量可在240 k9范圍內(nèi)調(diào)整，與不同沖擊高度匹配時，可得到滿足試驗中要求的不同沖擊能量。

    試件用鋼管為Ф114的Q235號低碳鋼管，鋼管壁厚分別為3．5 mm、3．8 mm和4．5 mm，其套箍系數(shù)分別為1、1．15和1．9。其中，3．5 mm、3．8 mm壁厚的為有縫鋼管，4．5 mm壁厚的為無縫鋼管；混凝土由商品混凝土廠配制生產(chǎn)，為了確定試件加載時內(nèi)填混凝土的實際強度，我們制作了l2個立方體(100mm×100 mm×100 mm)混凝土試塊，測得混凝土試塊抗壓強度的平均值為52．8 Mpa，折算成混凝土的軸心抗壓強度為fe=48．2 Mpa。試件有效跨度L為1．2m，落錘在構(gòu)件的中點處進(jìn)行沖擊，即落錘的中心正對準(zhǔn)構(gòu)件0．6m處(試件的具體參數(shù)可參見表1)。

    試驗過程中，除了觀察試件在不同沖擊能量下的局部和整體變形，還需測量沖擊力的變化情況。其中，局部變形由貼在鋼管的底部中心、鋼管兩側(cè)中點(如圖l、2)的應(yīng)變片記錄；整體變形主要由跨中撓度Y衡量，其值主要由試驗人員利用臺式游標(biāo)卡尺量測，并結(jié)合在平臺上對沖擊后的試件取跨中向兩側(cè)各200 mm范圍量取撓度值繪制撓度曲線，最后對兩種方法進(jìn)行校核；沖擊力的時程曲線用固定于落錘和沖擊頭之間傳感器(見圖3)測定。

圖1簡支構(gòu)件沖擊點和應(yīng)變片位置示意圖

圖2鋼管混凝土應(yīng)變片貼片圖

圖3錘頭和自制動態(tài)力傳感器

二、試驗結(jié)果

    試驗中觀察到，當(dāng)落錘升至使試件跨中鋼管底部出現(xiàn)頸縮高度之前，試件變形較為緩慢。鋼管壁厚3．5 mm鋼管混凝土試件，當(dāng)落錘高度為6．29m時；鋼管壁厚3．8 mm鋼管混凝土試件，當(dāng)落錘高度為6．29 m時；鋼管壁厚為4．5 mm鋼管混凝土試件，當(dāng)落錘高度為l0．5 m時，沖擊部位的鋼管混凝土底部鋼管產(chǎn)生頸縮，之后構(gòu)件將產(chǎn)生裂縫。此時，應(yīng)變片記錄曲線全部到達(dá)鋼材的極限應(yīng)變εl=0．31，鋼管進(jìn)入塑性階段，隨即試件中的應(yīng)力重新分布，受壓區(qū)混凝土壓碎，受拉區(qū)混凝土退出工作。圖4是B4鋼管產(chǎn)生臨界裂縫的照片，我們把這個狀態(tài)稱為臨界狀態(tài)。當(dāng)沖擊速度(落錘高度)繼續(xù)增加時，試件底部的變形迅速增大，轉(zhuǎn)角急劇增大，直至出現(xiàn)鋼管斷裂，整個鋼管混凝土達(dá)到破壞狀態(tài)。圖5是B5的破壞的照片。

圖4鋼管開裂狀態(tài)

圖5鋼管破壞狀態(tài)

    圖6給出了B類試件在不同沖擊能量下的整體變形，可以看出試件在受到側(cè)向沖擊作用下，試件沖擊點的撓度最大，其撓度隨落錘沖擊高度的提高而增大，在沖擊點的兩側(cè)，鋼管向上隆起形成一個鼓包。鼓包的大小和落錘下落速度有關(guān)，沖擊速度越大局部變形就越明顯。局部變形出現(xiàn)的位置相對比較穩(wěn)定，基本上出現(xiàn)在沖擊點兩側(cè)30 mm的地方。這主要是由于當(dāng)落錘的沖擊速度增大，沖擊能量增大，從而使沖擊點的混凝土破碎膨脹，擠壓外包鋼管，使鋼管產(chǎn)生隆起。另外，試件的整體撓度基本是關(guān)于沖擊點對稱的，但在離沖擊點較遠(yuǎn)的地方誤差較大，誤差主要來源于測量誤差和試驗本身因素，如沖擊點不可能是完全作用于試件的中點，試件本身材料分布的不均勻性等。在其他兩類件的試驗中也得到了類似的撓曲線，只是在幅值上不同。比較后發(fā)現(xiàn)在相同的沖擊能作用下，隨試件套箍系數(shù)的增加，其跨中撓度減小。

圖6 8類試件在不同沖擊能量下的撓曲線

    圖7給出了不同套箍系數(shù)試件在相同沖擊能作用下的沖擊力時程曲線，沖擊力過程可明顯劃分成3個階段。

    第一階段：振蕩階段；落錘剛接觸的瞬問，試件的沖擊力迅速達(dá)到峰值，然后迅速衰減，沖擊力處于振蕩的階段，把這個階段的完成時間定義為t1，由此可估算出試件跨中的加速度。

    第二階段：穩(wěn)定階段；在試件經(jīng)歷了初期的振蕩之后，沖擊力穩(wěn)定在一定值，形成平臺。這個階段持續(xù)的時間較長，沖擊力能主要耗散在這個階段。

    第三階段：衰減階段；沖擊力在經(jīng)過一個穩(wěn)定的時期后，迅速衰減，直至沖擊力減小至零。

    比較圖7中的各圖，隨試件的套箍系數(shù)的增加，沖擊力增大，但是套箍系數(shù)對沖擊力的影響要比對撓度的影響小得多。在落錘下落高度增大的情況下，沖擊力的峰值增大，兩者基本成正比關(guān)系。沖擊力的平臺值，不像其峰值變化明顯，基本上比較穩(wěn)定，這主要是由于沖擊力的峰值對外界因素比較敏感，而且影響因素很多。隨試件套箍系數(shù)的增大，試件受到?jīng)_擊力的平臺值增大。試驗過程中，還觀察到隨落錘下落高度的增大，沖擊力峰值和平臺值增大。

圖7不同套箍系數(shù)試件的沖擊力時程曲線

三、數(shù)值模擬

    3．1模型的建立

    利用LS--DYNA為求解器完成了對兩端為簡支鋼管混凝土試件受側(cè)向沖擊的計算機數(shù)值模擬，并與試驗結(jié)果進(jìn)行比較。模型共分為3個部分，分別為鋼管、鋼管中的混凝土和沖擊塊。其中鋼管采用彈塑性等向強化材料，混凝土采用SOIL—CONCRETE材料模型，沖擊塊采用RIGID材料。模擬中當(dāng)鋼管與混凝土之間采用面一面滑移接觸且摩擦力定義為零時，他們之間的相對位移不足1 mm；在試驗過程中觀察到只有當(dāng)鋼管撕裂后，混凝土和鋼管才會在沖擊點附近分離，且試件的大部分區(qū)域鋼管與混凝土都連接得較好，所以本文在建模中鋼管與混凝土在接觸面上采用共節(jié)點的方式來模擬他們的黏接。

    考慮到此節(jié)點處單元自由度的耦合問題，模型全部采用SOILD單元劃分。沖擊塊與鋼管的接觸算法采用對稱的罰函數(shù)法，該算法編程簡單，很少激起沙漏效應(yīng)。鋼管混凝土的直徑為114 mm，凈跨為l．2 m。在顯式有限元里，網(wǎng)格劃分得不好，不僅影響計算的精度，而且容易產(chǎn)生沙漏現(xiàn)象。為了避免以上情況，在網(wǎng)格劃分時，網(wǎng)格應(yīng)盡可能的均勻?qū)ΨQ，由于鋼管混凝土由外鋼管和核心混凝土組成，而外鋼管相對于混凝土來說，其鋼管壁厚是很小的，這樣在劃分網(wǎng)格時，如果直接采取映射掃略的方法來劃分，網(wǎng)格就顯得不是很規(guī)則，為了解決這個問題，在體生成時，先在體截面上沿直徑劃出兩道垂直的線，通過對線的劃分控制來控制整個體網(wǎng)格的精度和規(guī)則程度。

    鋼管混凝土構(gòu)件劃分共6477個單元。另外，為了提高計算的精度，在構(gòu)件網(wǎng)格的劃分上，在沖擊部位進(jìn)行一倍加密處理。對于沖擊塊，由于是剛體材料，在劃分網(wǎng)格時，可以盡量劃分的精細(xì)來提高運算的精度，并不影響運算的速度。本文采用了掃略方式，共劃分l38個單元。簡支的邊界條件采用對試件中線節(jié)點x、y進(jìn)行約束，保證試件的自由轉(zhuǎn)動和在z方向上的自由伸縮來實現(xiàn)。

    3．2計算結(jié)果

    3．2．1簡支構(gòu)件的撓度研究

    圖8給出了B4和B5試件受到側(cè)向沖擊后構(gòu)件最終變形的模態(tài)。與圖4、5的試驗所得變形模態(tài)非常一致。由于簡支試件兩端約束對稱，荷載對稱，試件的撓度曲線也是對稱的，試件變形集中在沖擊點附近，此范圍外幾乎沒有變化。

圖8 8類試件變形模態(tài)的計算結(jié)果

    3．2．2沖擊力的時程曲線

    圖9給出82和B3試件沖擊力時程曲線的計算機計算結(jié)果，可以看到?jīng)_擊力是一個瞬時的量，作用時間在20 ms左右，沖擊過程中沖擊力分為3個階段。并且可以看到圖9中B2的沖擊力時程曲線與圖7中B2的沖擊力時程曲線是非常吻合的。對比圖9中的兩圖可以看到?jīng)_擊力峰值隨落沖擊速度的增加而增大。在鋼管混凝土試件受到側(cè)向沖擊時，沖擊力在經(jīng)歷了初期的震蕩后，形成一穩(wěn)定的平臺值，此平臺值是衡量沖擊力大小的重要因素之一。表2給出了沖擊力平臺值試驗和數(shù)值模擬計算的結(jié)果，兩者較為接近。

圖9 8類試件沖擊力時程線

    3．2．3鋼管混凝土應(yīng)變研究

    試件在受到外界沖擊物突加荷載作用時，沖擊的作用時間很短，沖擊的能量來不及擴(kuò)散沖擊就結(jié)束了，和靜力相比雖然撓度和沖擊力的峰值都較大，但是其影響范圍卻較小，此外的區(qū)域變形很小。圖10為B類試件的應(yīng)變圖。

    對同一種試件而言，應(yīng)變在不同的位置變化很大，為研究其變化規(guī)律，選擇試件的上下軸線為研究對象。本文中提到的頂部是沖擊物的沖擊面，底部是背對沖擊面的部分。通過圖ll對比可以看出，底面中線的應(yīng)變和頂部中線的應(yīng)變曲線形狀比較相似，方向相反。鋼管混凝土試件應(yīng)變在沖擊點最大，3方向中，Z方向(沿構(gòu)件長度方向)上的應(yīng)變最大，z方向、Y方向的應(yīng)變大小相當(dāng)。這說明在沖擊作用下，試件變形以受彎變形為主，而剪切變形相對較弱。

圖10鋼管混凝土單元應(yīng)變

圖11鋼管上下軸線的應(yīng)變曲線

    3．2．4臨界能量

    鋼管混凝土受到?jīng)_擊作用時，構(gòu)件破壞的臨界能量是衡量構(gòu)件耐軸性的一個重要因素。到目前為止，人們對于沖擊碰撞作用下的鋼管混凝土構(gòu)件的破壞準(zhǔn)則還處于探索階段，其破壞可分為拉伸型和壓縮型兩種類型。本文以沖擊處底部鋼管的最大應(yīng)變作為試件的破壞準(zhǔn)則，其極限應(yīng)變值ε1=0．3 1通過靜力試驗確定。  

    在研究鋼管混凝土的臨界能量時，為了和靜力的參數(shù)相對應(yīng)，用套箍系數(shù)孝來描述。所謂的套箍系數(shù)ξ，實際上是綜合反映鋼在鋼管混凝土構(gòu)件中所占相對比例的一個參數(shù)

    在試驗中，由于試件的數(shù)量限制和試驗過程中一些不可預(yù)知的因素的影響，使構(gòu)件的臨界能量不易獲取，可以通過對破壞準(zhǔn)則的判斷，利用計算機仿真模擬得出簡支構(gòu)件在不同的套箍系數(shù)下的臨界能量。在鋼管混凝土構(gòu)件中，混凝土往往采用的是高強混凝土，在核心混凝土強度等級為C45一C80時，采用不同的屈服強度鋼材和混凝土強度等級的影響并不大，故只考慮了含鋼率不同引起的亭變化的情況。

    根據(jù)大量的數(shù)值模擬和分析，用回歸的方法，給出了鋼管混凝土構(gòu)件在不同含鋼率下，套箍系數(shù)和臨界沖擊能量，套箍系數(shù)和臨界破壞時沖擊力大小之間的回歸公式。

El=38767ξ²+12510ξ+463．96    (2)          F=857ξ一70     (3)

    其中：El為臨界沖擊能量；F為臨界狀態(tài)下的沖擊力；ξ為套箍系數(shù)。

    由式(2)和(3)可以看出套箍系數(shù)是影響構(gòu)件臨界能量的一個最重要的因素，套箍系數(shù)ξ和臨界能量是二次函數(shù)關(guān)系，沖擊力峰值和套箍系數(shù)ξ成正比，隨著ξ的增大而增大。

圖12參和臨界能量的關(guān)系曲線

圖13套箍系數(shù)和臨界沖擊力的關(guān)系曲線

四、結(jié) 論

    (1)構(gòu)件的最終跨中撓度隨沖擊能增大而增大，整體成V形；隨緊箍系數(shù)的增大而減小。

    (2)構(gòu)件的沖擊力峰值隨沖擊能增大而增大，與套箍系數(shù)ξ成正比；沖擊力平臺值隨緊箍系數(shù)的增大而增大。

    (3)試驗研究和數(shù)值模擬計算結(jié)果表明，鋼管混凝土構(gòu)件在側(cè)向沖擊荷載作用下的破壞為拉伸型破壞，其臨界破壞狀態(tài)由鋼管的極限拉伸應(yīng)變決定，一旦鋼管開裂，構(gòu)件就喪失了承載能力。

    (4)套箍系數(shù)是影響構(gòu)件臨界破壞能的重要因素，與臨界能量呈二次函數(shù)關(guān)系。

(5)凝土的強度等級、沖擊塊的剛度和形狀、沖擊的角度等對鋼管混凝土構(gòu)件臨界破壞能量的影響將在后續(xù)文章中闡述。

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(本文來源：陜西省土木建筑學(xué)會     文徑網(wǎng)絡(luò)：呂琳琳  尹維維 編輯   文徑 審核)