鋼管混凝土結構構件在軸向沖擊下的變形研究

劉三梅

(山西四建集團有限公司，山西太原 030024)

0 引言

鋼管混凝土是指在鋼管中填充混凝土，利用混凝土材料與鋼管材料在受力過程中的相互作用形成的一種結構構件。在這種結構構件中，鋼管對混凝土產生約束作用，同時，混凝土的存在保證了薄壁鋼管的局部穩定，使其承載力得到充分發揮。另一方面，在施工過程中，鋼管可以充當核心混凝土模板的作用，與鋼筋混凝土相比，提高了施工效率，并節省費用。鋼管混凝土構件以其承載力高、塑性和韌性好、施工方便、耐火性好及經濟效益好等一系列優點被大范圍推廣應用到工程建設當中。如西雅圖58層的Two Union Square大廈和Pacific First Center大廈、澳大利亞墨爾本的Casselden Place Project等建筑均采用了鋼管混凝土構件。我國于20世紀60年代開始研究鋼管混凝土，并將其應用于各類建筑結構。如武漢71層的國際證券大廈采用了矩形鋼管混凝土結構，深圳76層的賽格廣場大廈采用了圓鋼管混凝土。

與其他建筑結構材料一樣，鋼管混凝土作為建筑結構的梁、柱等主要承重構件，在使用過程中，也面臨著遭受意外碰撞的風險。一旦遭受爆炸、撞擊等沖擊破壞，將造成極大的經濟損失和社會影響，因此，鋼管混凝土結構在沖擊荷載作用下的承載力問題引起了高度關注。本文通過對不同含鋼率的鋼管混凝土短柱進行沖擊試驗，研究其在沖擊荷載作用下，試件軸向、徑向變形與沖擊能量的關系。

1 試驗方案

1.1 試驗設備及試件的制作

本試驗針對9根直徑152 mm、柱高500 mm、壁厚t分別為3.5 mm，3.8 mm和4.2 mm的三種鋼管混凝土短柱，利用沖擊試驗機進行了軸向沖擊試驗。本試驗取錘重為220 kg的落錘自試驗機上端呈自由落體下落，由不同的沖擊高度獲得滿足試驗要求的不同的沖擊能量。

試驗用鋼管混凝土軸壓短柱核心混凝土強度不變，鋼管的直徑相同，只改變鋼管的厚度，即改變構件的含鋼率。試件用鋼管為Q235號低碳鋼管，測得混凝土軸心抗壓強度為fc=48.2 MPa。試件幾何尺寸及所用材料的性質見表1。

表1 試件幾何尺寸及使用材料性質

1.2 試件的測點位置及測量參數

試件的測點位置布置為:在距試件的上下端各100 cm處及中間部位布置電阻應變片，以實現鋼管混凝土縱、橫向應變的測定;通過位移計來測定試件在試驗過程中的縱向變形。用鋼針劃分出縱橫網格以更好地觀察試件在試驗過程中的變形情況，現場布置見圖1。

圖1 現場布置圖

2 試驗結果

2.1 縱向最大變形及試件破壞形態

表2為不同的落錘下落高度下不同壁厚鋼管混凝土短柱軸向沖擊實驗結果，圖2分別為落錘在9 m，12 m下落高度構件的變形情況。試驗中觀察到，在沖擊能量較小時，試件沒有明顯的變形。隨著下落高度的增加，沖擊能量增大，試件發生了不同程度的剪切變形。可以看出，隨著沖擊能量的增加，相同壁厚的鋼管混凝土試件，其軸向及環向變形隨下落高度的增加而增大;不同壁厚相同沖擊能量下的鋼管混凝土試件，壁厚大的試件變形小于壁厚小的試件。

表2 試件編號和試驗結果

2.2 各試件應變分布

圖3為沖擊速度10.84 m/s情況下三種壁厚試件中部的軸向、徑向應變時程曲線;圖4為套箍系數與殘余應變的關系。通過分析以上數據可以看出:在大部分試件的三個測點中，其中部的峰值應變和殘余應變均大于頂部、底部應變的測量值;縱向應變略大于徑向應變;隨著套箍系數的增加，其相應的應變值減小;當應變值大于3 000 με后，截面屈服，產生較明顯的殘余應變。而應變值在較小的情況下，試件處于彈性變形狀態，殘余應變值很小。

圖2 不同沖擊能量下的變形

圖3 沖擊速度10.84 m/s情況下應變時程曲線

圖4 套箍系數與殘余應變的關系

3 結語

1)鋼管混凝土試件在軸向沖擊作用下，出現不同程度的壓縮變形，隨作用力的增加，混凝土沿45°方向發生剪切破壞。

2)相同壁厚的鋼管混凝土構件，隨著錘體下落高度的增加即沖擊能量的增加，構件的軸向、徑向變形增加;相同沖擊能量下，套箍系數小的構件其變形較大。

3)由于鋼管與混凝土相互約束改善了材料的力學性能，因此鋼管混凝土構件具有良好的延性和抗沖擊性能。套箍系數越大，構件的抗沖擊性能越好。