高溫后鋼管混凝土抗多次沖擊力學性能試驗研究＊

霍靜思，何遠明，肖莉平，陳柏生

（1.湖南大學 教育部建筑安全與節能重點實驗室，湖南 長沙 410082； 2.中建國際（深圳）設計顧問有限公司，深圳 518048）

近年來，隨著城市化的飛速發展與建筑密度和高度的增加，建筑火災事故頻繁發生，造成了相當數量的倒塌事故；同時一些重要的建筑也面臨著恐怖襲擊可能造成的高溫火災爆炸或沖擊威脅.因此，需開始考慮建筑結構火災（高溫）后的抗沖擊設計和抗倒塌設計.

鋼管混凝土不僅具有承載力高、塑性和韌性好、抗震性能優越、施工方便等優點，且具有良好的耐火性能、火災后力學性能與抗火災倒塌能力[1－2].因此，鋼管混凝土也應具有良好常溫下和火災（高溫）后抗沖擊力學性能.國內外學者進行了混凝土在沖擊荷載作用下的動態力學性能研究[3－6]，而鋼管混凝土在爆炸和沖擊荷載作用下的力學性能研究相對較少.陳肇元等[7]，Prichard和 Perry[8]用落錘實驗機進行了鋼管約束混凝土的沖擊試驗；Xiao等[9]進行了鋼管混凝土與約束鋼管混凝土SHPB和高速輕氣炮沖擊試驗；李珠等[10]對16根鋼管混凝土短柱進行了軸向沖擊試驗研究；鄭秋[11]進行了鋼管混凝土落錘沖擊試驗研究；Huo等[12]進行了15個高溫下鋼管混凝土SHPB抗沖擊性能試驗研究；任曉虎等[13]進行了高溫后鋼管混凝土短柱落錘動態抗沖擊試驗研究.上述試驗結果均表明，鋼管混凝土無論是在常溫下還是高溫下（后）均具有良好的抗沖擊性能，這主要是由于組成鋼管混凝土的鋼管和核心混凝土之間相互貢獻、協同互補、共同工作[1]，使之具有更好的高溫下（后）抗沖擊力學性能.

本文采用分離式霍普金森壓桿（Split Hopkinson Pressure Bar，SHPB）裝置進行高溫后鋼管混凝土的多次抗沖擊性能試驗研究，研究其高溫后抗重復沖擊力學性能，為該類結構高溫（火災）后抗沖擊和抗倒塌評估與修復加固設計提供依據.

1 試驗概況

1.1 試件設計與加工

共進行了20個鋼管混凝土SHPB多次抗沖擊試驗，主要考察多次沖擊對高溫后鋼管混凝土抗沖擊力學性能的影響，試驗詳細情況見表1.為使試件在沖擊加載過程中沿長度方向應力分布均勻，試件長度必需足夠短；但試件如果太短，試件與壓桿之間的摩擦對試驗結果有顯著影響，導致強度明顯的增加[4].Davies和 Hunter[5]建議最優長徑比L／D＝（3υ／4）1／2，其中υ為材料泊松比，一般可取L／D＝0.5.因此，在本次試驗中試件的長徑比取為0.5.

鋼管采用直徑Φ70mm×5mm的Q235無縫鋼管，在車床機械加工成壁厚為2mm長為0.5m的鋼管，將其一端用AB膠貼在光滑平板上，再分層澆筑混凝土，養護28d后再將試件機械加工成設計高度的試件.為保證試件端面平整，對試件端面進行打磨，導致各個試件高度存在少許偏差，如表1所示.采用C35混凝土，由于試件尺寸較小，粗骨料最大粒徑參照《混凝土結構設計規范》（GB 50010—2002）規定選粗骨料最大粒徑為15mm的碎石，水的質量分數為0.37，配合比為：mc∶mw∶ms∶mG＝1∶0.37∶0.80∶1.87.鋼材屈服強度和極限強度分別為292MPa和447.89MPa，混凝土28d立方體抗壓強度為35.6MPa.

表1 試驗參數及主要試驗結果Tab.1 Summary of the test and test results

1.2 試驗裝置與試驗方法

高溫后鋼管混凝土抗沖擊試驗在湖南大學建筑安全與節能教育部重點實驗室進行，首先采用文獻[14，15]所述高溫爐對試件進行升溫，升溫速度為10℃／min，升溫至如表1所示的設定溫度后，再恒溫3h，然后在爐內自然降溫至室溫，將試件移置干燥處.由于高溫加載設備限制，升溫時未對試件進行加載；根據文獻[14，15]進行的高溫全過程作用后鋼管混凝土短柱軸壓力學性能試驗和鋼管混凝土足尺結構柱滯回力學性能試研究結果，可認為本文試驗結果能較真實地反映實際結構鋼管混凝土柱在有約束狀態下經歷高溫后的抗沖擊力學性能.隨后分別采用壓力實驗機和SHPB試驗裝置進行靜態壓縮和動態壓縮抗沖擊試驗.

SHPB壓桿試驗裝置包括：壓桿、測量系統、數據采集系統和數據處理系統，該試驗裝置詳細描述見文獻[12].本次試驗所采用的為直徑74mm的SHPB壓桿，子彈長為800mm.試驗時，在桿端面和試件的兩端面涂上凡士林，將試件安置在入射桿和透射桿之間，并嚴格對中；便可對氣槍充氣，達到指定氣壓0.8MPa后，釋放撞擊桿進行沖擊，撞擊速度為15.4m／s，并完成試驗數據的采集.

SHPB壓桿本質上是一種彈性桿，撞擊桿以一定的速度撞擊入射桿會產生一個彈性波在桿中傳播，彈性波通過試件時，使試件發生變形.圖1所示為一個典型沖擊試驗（CFT1a）測得的壓桿上的入射波、反射波和透射波.基于壓桿的一維彈性波理論以及應力沿試件軸向均勻分布的假設，可以得到試件的平均應力、平均應變以及應變率與SHPB壓桿的入射波、反射波和透射波之間的關系，詳細公式見文獻[12].利用試驗記錄的加載脈沖，可得到應力、應變和應變率動態時程曲線，用以研究高溫后鋼管混凝土動態力學性能.圖2所示為CFT1a測得的典型的應變、應力和應變率時程曲線與應力－應變曲線.

圖1 典型試驗測得的電壓波形圖（試件CFT1a）Fig.1 Typical voltage measurements（Specimen CFT1a）

圖2 時程曲線及應力－應變曲線（試件CFT1a）Fig.2 Typical time history curves and stress versus strain curve（specimen CFT1a）

2 試件損傷及破壞形態

2.1 高溫后鋼管混凝土損傷情況

圖3所示為試件高溫試驗后損傷情況.T＝100℃時，試件形態與常溫時相似，無明顯變化；T＝300℃時，鋼管端面略顯藍色，混凝土顏色變淺，呈青灰色，混凝土表面無明顯裂縫；T＝500℃時，鋼管端面泛紅，混凝土呈灰白色，有少量微裂縫；T＝700℃時，鋼管端面呈暗紅色，混凝土泛紅，有明顯的裂縫.

2.2 多次沖擊加載后試件的典型破壞形態

高溫后鋼管混凝土經歷首次沖擊后試件鋼管和混凝土端面無明顯變化，裂紋較細??；經過第2次沖擊后，大部分試件鋼管屈曲，端面混凝土裂縫增多、加深，且裂縫匯合形成較寬的裂縫；經過第3次沖擊后，鋼管屈曲程度加大，試件端面混凝土部分粗骨料被打裂，甚至脫落.隨著試件所遭受的溫度升高，在相同沖擊程度的情況下，試件端面混凝土裂紋數量、寬度和深度有所增大，且鋼管屈曲程度明顯加劇.如圖4所示為典型試件CFT7a和CFT1b經過3次沖擊后的破壞形態.

圖3 高溫后鋼管混凝土形態Fig.3 Appearances of CFT columns after exposure to high temperatures

圖4 典型試件沖擊后的破壞形態Fig.4 Failure modes of CFT specimens after impact loading

3 試驗結果與分析

3.1 應力－應變關系

圖5給出了高溫后鋼管混凝土第1次沖擊荷載下應力－應變關系曲線.可見，高溫后鋼管混凝土應力－應變關系曲線的初始線性階段較短，很快表現為明顯的彈塑性，經歷明顯的屈服平臺后均表現出明顯的應力強化，仍具有較高的殘余強度.隨著溫度的升高，高溫后鋼管混凝土強度和軸壓剛度均明顯降低，說明高溫作用使鋼管和混凝土材料性能明顯劣化.對于常溫下和100℃溫度作用后鋼管混凝土，在鋼管屈服后的應力強化程度明顯低于經歷300℃，500℃和700℃高溫作用后試件的應力強化程度，這可能是由于鋼材經歷較高溫度后強化模量高于常溫和較低溫度下的強化模量，也可能是由于核心混凝土高溫后損傷明顯，而鋼管高溫后強度有所恢復，導致鋼管對核心混凝土約束作用有所增強，從而形成應力強化的現象.所有試件均表現出良好的塑性變形能力，說明其高溫后仍具有良好的抗沖擊性能.

圖5 第1次沖擊的應力－應變關系Fig.5 Stress vs.strain relations of CFT under the first impact loading

圖6 多次沖擊下試件的應力－應變關系Fig.6 Stress vs.strain relations under multi－impact loadings

圖6所示為不同高溫作用后鋼管混凝土多次沖擊后應力－應變關系曲線.可見，常溫和高溫后鋼管混凝土均具有良好的抗多次沖擊能力.在第2次沖擊下，強度有所提高，變形顯著降低.常溫試件強度在第4次沖擊后開始降低，而高溫后試件強度則在第3次沖擊后開始降低，但變形則明顯增大，說明材料在多次沖擊下的累積損傷程度不斷增大.此外，多次沖擊后的強度雖有所降低，但降低幅度不顯著，基本不低于首次沖擊時的強度，說明其具備良好的抗多次沖擊能力，可用于有抗火災倒塌與高溫抗爆、抗沖擊需求的重要結構和軍事特種結構.

3.2 溫度對強度的影響

[1]所述鋼管混凝土極限強度取值方法，取彈塑性段終點對應應力為動態極限強度，圖7給出了動態極限強度隨溫度變化的規律.可見，動態極限強度隨溫度的升高而降低，高溫劣化作用顯著降低了鋼管混凝土動態強度.通過計算實測應力－應變曲線所包絡的面積可確定試件在沖擊過程中所消耗的能量，如表1和圖8所示.可見，高溫后鋼管混凝土的耗能能力隨著溫度的升高有所增強.

圖7 動態極限強度－溫度關系Fig.7 Dynamic strength vs.temperature relations

圖8 耗能能力－溫度關系Fig.8 Energy absorption vs.temperature relations

3.3 沖擊次數對強度的影響

圖9為高溫后鋼管混凝土相對動態極限強度（即各沖擊次數下極限強度與首次沖擊強度的比值）隨沖擊次數變化的情況.可見，2次沖擊下鋼管混凝土強度較首次沖擊時的強度大約提高50%，隨后強度開始下降，但仍基本與首次沖擊時的強度持平，說明高溫后鋼管混凝土具有良好的抗重復沖擊能力.

圖10給出了經受不同沖擊次數后相對動態耗能（即各沖擊次數下耗能與首次沖擊耗能的比值）隨沖擊次數變化的情況.可見，第2次和第3次沖擊下的耗能能力略有降低，但降低幅度不超過30%，經受第4次沖擊時耗能能力又能恢復到與首次沖擊時，說明高溫后鋼管混凝土具有良好的耗能能力.

圖9 相對動態極限強度－沖擊次數關系Fig.9 Dynamic strength vs.impact times relations

圖10 動態耗能－沖擊次數關系Fig.10 Dynamic energy absorption vs.impact times relations

4 結 論

通過對不同溫度作用后鋼管混凝土進行SHPB抗沖擊試驗研究，得到如下結論：

1）隨溫度的升高，高溫后鋼管混凝土極限強度明顯下降，但仍有良好的變形能力和后期承載能力，即高溫后鋼管混凝土具有良好的抗沖擊能力.

2）多次沖擊下高溫后鋼管混凝土強度和耗能結果表明，高溫后鋼管混凝土具有良好的抗多次沖擊的能力，說明鋼管混凝土可用于抗火災倒塌與高溫抗爆和抗沖擊的結構中.

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