多次側向沖擊下雙層鋼管混凝土結構的響應分析

王 宇， 錢旭東

(1.中國中元國際工程有限公司，北京 100089； 2. 新加坡國立大學 土木工程系，新加坡 117576)

多次側向沖擊下雙層鋼管混凝土結構的響應分析

王 宇1， 錢旭東2

(1.中國中元國際工程有限公司，北京 100089； 2. 新加坡國立大學 土木工程系，新加坡 117576)

利用落錘試驗研究了雙層鋼管混凝土組合結構在多次側向沖擊作用下的抗沖擊性能，分析了該組合結構在側向沖擊下的變形機理，并獲取了雙層鋼管混凝土試件在歷次沖擊過程中的沖擊力時程曲線以及歷次沖擊后的整體變形和凹陷變形數據。試驗數據表明：外層鋼管及其厚度對該組合結構的抗沖擊能力和整體彎曲變形的大小有顯著影響；混凝土層有效限制了結構的凹陷變形。相比于傳統的空鋼管，雙層鋼管混凝土結構在多次沖擊荷載作用下顯示了良好的抗沖擊性能——更小的整體和凹陷變形，以及較高的吸能能力。

雙層鋼管混凝土；多次側向沖擊；落錘沖擊試驗；抗沖擊性能

空鋼管由于其較低的流體流動阻力以及便于建造、運輸和安裝的特點在近海工程和結構工程中有廣泛的應用，如海洋平臺，大跨度空間結構，輸油輸氣管道等[1]。隨著我國經濟建設的發(fā)展，大量的陸上及海洋輸油輸氣管道被規(guī)劃和建設。在歐美，超過50%的有記錄的輸油輸氣管道破壞是由捕魚裝置，挖掘設備和重物(如船錨)所形成的沖擊荷載造成的[2]。傳統輸油輸氣管道的主要組成部分——空鋼管的抗沖擊性能是很有限的。工程界急需尋求解決辦法以提高輸油輸氣管道的抗沖擊性能，減少管道破裂所造成的嚴重經濟損失和環(huán)境污染問題。目前，規(guī)范及科研中常以結構的變形大小直觀衡量輸油輸氣管道的抗沖擊性能[3]。

雙層鋼管混凝土結構由外層鋼管，內層鋼管以及兩鋼管之間的混凝土層組成(圖1)，它在近年來的科學研究中顯示了良好的靜承載，延性和吸能能力[4-6]。該組合結構已開始應用于輸電塔的柱子中，以提高結構整體的抗彎承載能力，減輕輸電塔的自重[7-8]。WANG等[9-10]提出了將雙層鋼管混凝土結構應用于輸油輸氣管道中以提高管道的抗沖擊性能，并通過試驗研究和有限元分析顯示了在單次沖擊荷載作用下該組合結構優(yōu)良的抗沖擊性能。利用落錘沖擊試驗，本文繼續(xù)深入研究了在多次側向沖擊力作用下雙層鋼管混凝土結構的動力響應，分析了結構的變形機理，獲取了歷次沖擊下結構的沖擊力時程曲線和變形數據。研究表明雙層鋼管混凝土結構在多次沖擊下仍具有良好的抗沖擊性能，為今后該結構在實際工程中的應用提供了有力依據。

圖1 雙層鋼管混凝土Fig.1 Concrete-filled double skin steel tube

1 試驗

1.1 試件

本試驗包含7個雙層鋼管混凝土試件和3個空鋼管試件，試件編號及尺寸如表1所示。其中，“D”代表雙層鋼管混凝土試件；“H”代表空鋼管試件；Do和to分別表示外層鋼管的外直徑和壁厚；Di和ti分別表示內層鋼管的外直徑和壁厚；tc代表混凝土層的厚度。所有試件的長度均為2 m。

表1 試件尺寸

試驗所用鋼管力學性能指標如表2所示。本試驗中兩層鋼管間的填充材料采用的是一種新型輕質材料稱為ULCC (Ultra Lightweight Cement Composite)[11]。ULCC具有很高的抗壓強度(超過60 MPa)，但它的平均密度僅有1 460 kg/m3，約為普通混凝土密度的60%。這有效的減輕了雙層鋼管混凝土結構的自重，便于長距離輸油輸氣管道的運輸和安裝。此外，由于沒有粗骨料，降低了在兩層鋼管間泵送澆灌ULCC的難度，有利于保證ULCC的和易性以及該組合結構整體的工作性能。

表2 鋼管的力學性能

1.2 試驗裝置

落錘沖擊試驗系統由7.5m高鋼架，1 350 kg重落錘以及用高強螺栓固定在地面的剛性基座組成(圖2)。沖擊試驗中，通過絞盤將重錘提升至預訂沖擊高度后釋放(本試驗中所有試件的沖擊高度為3.4 m，僅試件H-3的沖擊高度為1.0 m)。鋼架上的導軌可以限制重錘兩側滑輪的運動軌跡，確保重錘的沖頭能夠垂直沖擊到試件的跨中位置。重錘的沖頭由高強鋼制成，內部含有力傳感器用來記錄沖擊力數據。沖擊試驗中，重錘滑輪與鋼架導軌間存在摩擦，本試驗在貼近試件上表面處布置激光系統，以測量準確的沖擊速度v(表3)。試件兩端簡支在鞍式支座上，在沖擊力作用下試件可以自由的繞支座轉動，試件的凈跨度為1.8 m。

圖2 落錘沖擊試驗系統及試驗裝置Fig.2 Drop hammer impact test system and test set-up

2 試驗結果與討論

雙層鋼管混凝土試件在多次側向沖擊下的試驗結果如表3所示。試件編號中括號里的數字表示該試件所承受的是第幾次沖擊。其中，7個雙層鋼管混凝土試件都承受了3次沖擊；3個空鋼管試件由于在單次沖擊作用下已出現了較大變形，為避免沖擊儀器損壞，它們僅承受了1次沖擊。本文中7個雙層鋼管混凝土試件的第一次沖擊以及3個空鋼管試件的單次沖擊采用的是文獻[9]中的試驗數據，以作對比分析。表3中的沖擊速度v是由試驗裝置中的激光系統測定的，沖擊能量Ei可根據動能定理求出。除了試件H-3，所有試件的沖擊高度均為3.4 m，考慮到摩擦損失，沖擊速度在7.5 m/s左右，沖擊能量約為38 kJ。對于薄壁空鋼管H-3(to=5.0 mm)，為了避免過大的沖擊能量損壞試驗儀器，沖擊高度降低為1 m，沖擊速度為4.23 m/s。表3中wt和wg分別表示試件跨中在受沖擊后的總變形和整體彎曲變形，即試件上表面和下表面的變形(圖2)，是在各次沖擊后測量的；δ代表試件跨中在受沖擊后的凹陷變形，即總變形與整體彎曲變形之差

δ=wt-wg

(1)

2.1 變形機理

雙層鋼管混凝土試件D-2和空鋼管試件H-2在歷次沖擊后的變形模式(側視圖和頂視圖)分別如圖3和圖4所示。試件D-2的外層鋼管壁厚與試件H-2的鋼管壁厚相同(to=6.3mm),在近似的沖擊速度下空鋼管H-2發(fā)生了嚴重的整體彎曲變形和凹陷變形。相比之下，雙層鋼管混凝土試件D-2在經歷第一次沖擊后整體彎曲變形和凹陷變形都明顯較小，且凹陷變形集中發(fā)生在被沖擊位置，即跨中處。這體現了雙層鋼管混凝土結構在單次沖擊荷載作用下優(yōu)秀的抗沖擊性能。隨著受沖擊次數的增加，試件D-2的整體彎曲變形和凹陷變形也在增大，凹陷變形區(qū)有向試件兩端發(fā)展的趨勢(圖3)，這是由于沖擊次數的增加加劇了雙層鋼管混凝土結構的破壞。但即使在承受3次沖擊作用后，試件D-2的整體彎曲變形和凹陷變形仍明顯小于空鋼管H-2(表3和圖3,4)，雙層鋼管混凝土結構在多次沖擊下仍體現了較好的抗沖擊性能。圖3和圖4還顯示了試件端部在側向沖擊力作用下的轉動，整體彎曲變形越大，試件端部的轉動越明顯,轉角(θ)的具體數值如表3所示。

表3 試驗結果

圖3 試件D-2受到多次沖擊后的變形模式Fig.3 Deformation modes for specimen D-2 after multiple impacts

圖4 試件H-2受到單次沖擊后的變形模式Fig.4 Deformation mode for specimen H-2 after one impact

雙層鋼管混凝土和空鋼管兩種結構在側向沖擊荷載作用下的變形機理如圖5所示。在雙層鋼管混凝土結構中，由于外層鋼管和內層鋼管的有效約束作用，混凝土層的抗壓承載能力很高。當側向作用沖擊到該組合結構時，受沖擊部位的混凝土層受壓，產生強大的抗壓承載力，進而明顯限制了結構的凹陷變形。隨后，外層鋼管，混凝土層以及內層鋼管作為一個整體由沖擊部位向下傳遞沖擊力，組合管發(fā)生整體彎曲變形(圖5(a))。相比之下，空鋼管結構的整體抗彎承載力以及局部承載能力僅由一層鋼管提供，當鋼管壁厚不大時(如to=6.3 mm或5.0 mm)，空鋼管受壓很容易產生明顯的整體彎曲變形和凹陷變形。

圖5 雙層鋼管混凝土及空鋼管在側向沖擊荷載下的變形機理Fig.5 Deformation mechanism for concrete-filled double skin steel tube and hollow steel tube under transverse impact

2.2 沖擊力時程曲線

本試驗中的力傳感器可以記錄沖擊過程中的沖擊力P，部分試件在多次沖擊下的沖擊力時程曲線如圖6所示。本文作者在文獻[9]中定義了管狀結構的沖擊力時程曲線分為三個階段：波動階段，平臺階段，下降階段。其中，平臺階段的沖擊力能夠較好的反應結構的抗沖擊能力。雙層鋼管混凝土試件在多次沖擊荷載作用下的沖擊力時程曲線仍可大致分為以上三個階段。隨著沖擊次數的增加，沖擊力逐漸降低，這是由于鋼管屈服區(qū)域擴大以及混凝土層破壞加重造成的。

(a) D-1及H-1 (b) D-2

(c) D-5 (d) D-7圖6 多次沖擊下試件的沖擊力時程曲線Fig.6 Impact force-time history curves for typical specimens under multiple impacts

圖6(a)比較了雙層鋼管混凝土試件D-1在歷次沖擊過程中的沖擊力時程曲線以及空鋼管試件H-1在單次沖擊下的沖擊力時程曲線。兩個試件具有相同的外鋼管壁厚(to=10.0 mm)。即使遭受多次沖擊，試件D-1的平臺階段沖擊力仍明顯高于試件H-1，體現了雙層鋼管混凝土結構良好的抗沖擊承載能力。這一點同樣可以由試件D-2和H-2(to=6.3 mm)的沖擊力時程曲線看出，如圖6(b)所示。雙層鋼管混凝土試件D-1和D-2具有相同的內層鋼管(表1)，隨著外層鋼管壁厚從10.0 mm減少至6.3 mm，歷次平臺階段沖擊力都發(fā)生了明顯的下降，如圖6(a)和6(b)所示。這說明在雙層鋼管混凝土結構中，外層鋼管的壁厚對結構在多次沖擊下的抗沖擊能力有顯著的影響。試件D-2和D-5具有相同的外層鋼管以及混凝土層厚度(to=6.3 mm；tc=33.4 mm)，僅內層鋼管壁厚不同，如表1所示。隨著內層鋼管壁厚從5.0 mm增加到6.3 mm，第一次和第二次沖擊的平臺階段沖擊力有所提高，但并不明顯，第三次沖擊的平臺階段沖擊力甚至出現下降(圖6(b)和6(c))。這說明內層鋼管壁厚對雙層鋼管混凝土結構在多次沖擊作用下的抗沖擊能力影響不大。但本文作者在文獻[3]中的研究顯示，內層鋼管連同外層鋼管能夠有效的約束混凝土層，從而獲得組合效應，顯著提高該組合結構的抗沖擊性能。試件D-5和D-7具有相同的外層鋼管和內層鋼管壁厚，僅混凝土層厚度不同(表1)。隨著混凝土層由33.4 mm降低至19.1 mm，第一次和第二次沖擊的平臺階段沖擊力略有降低，第三次沖擊的平臺階段沖擊力甚至出現提高，如圖6(c)和6(d)所示。這體現了混凝土層厚度對雙層鋼管混凝土結構在多次沖擊下的抗沖擊能力影響也是有限的。

2.3 整體彎曲變形

本試驗中，歷次沖擊后試件下表面的變形被定義為結構的整體彎曲變形wg。部分試件在多次沖擊后的跨中整體彎曲變形數據如圖7所示。當雙層鋼管混凝土試件和空鋼管試件具有相同的外鋼管壁厚時，雙層鋼管混凝土試件的跨中整體彎曲變形明顯較小(圖7(a)和7(b))，說明外層鋼管，混凝土層以及內層鋼管作為一個整體時可有效提高結構的抗彎能力。對于雙層鋼管混凝土試件(D-1,D-2和D-3)，隨著外層鋼管壁厚的增加，結構的抗彎能力迅速提高，歷次沖擊后跨中整體彎曲變形也隨之明顯下降，如圖7(a)所示。當雙層鋼管混凝土試件具有相同的外層鋼管(D-2，D-5和D-7)，內層鋼管以及混凝土層厚度的增加會在一定程度上提高了結構的抗彎承載力，降低歷次沖擊后結構跨中的整體彎曲變形，如圖7(b)所示。

圖7 多次沖擊后試件的跨中整體彎曲變形Fig.7 Global bending deformation at the mid-span for typical specimens after multiple impacts

對于某一特定的雙層鋼管混凝土試件，某一次沖擊過程中所形成的整體彎曲變形等于該次沖擊后試件的整體彎曲變形減去上一次沖擊后試件的整體彎曲變形，即

Δwg,i=wg,i-wg,i-1

(2)

式中:Δwg,i表示的是第i次沖擊過程中試件形成的跨中整體彎曲變形。wg,i和wg,i-1分別表示第i次和第i-1次沖擊后試件的跨中整體彎曲變形。在本次試驗中，i=1,2,3。由表3中的試驗結果可以看出，7個雙層鋼管混凝土試件在每一次沖擊過程中所形成的跨中整體彎曲變形都隨著沖擊次數的增加而增加。這說明結構的整體抗彎能力隨著落錘的不斷沖擊而下降。

2.4 凹陷變形

本文中式(1)定義了管狀結構在歷次沖擊力作用后的凹陷變形δ。部分試件在多次沖擊后的跨中凹陷變形數據如圖8所示。如2.1節(jié)討論，在外層鋼管和內層鋼管有效的約束作用下，雙層鋼管混凝土結構中的混凝土層具有很高的抗壓強度，能夠有效提高結構的局部抗壓能力，限制結構凹陷變形的發(fā)展。因此，雙層鋼管混凝土試件在多次沖擊后的凹陷變形明顯小于空鋼管試件(圖8)。外層鋼管以及內層鋼管壁厚的增加會在一定程度上提高結構的局部承載能力，降低結構在歷次沖擊后的跨中凹陷變形,如圖7(a)和7(b)所示。但當雙層鋼管混凝土試件的混凝土層厚度從30 mm左右降低至19.1 mm時，試件D-7在歷次沖擊后的跨中凹陷變形明顯高于其它6個雙層鋼管混凝土試件(表3)。這進一步說明了混凝土層在控制雙層鋼管混凝土結構在多次沖擊下的凹陷變形上有顯著作用。

(a) H-1, D-1,D-2和D-3 (b)H-2，D-2，D-5和D-7 圖8 多次沖擊后試件的跨中凹陷變形Fig.8 Local deformation at the mid-span for typical specimens after multiple impacts

類似于整體彎曲變形，對于某一特定的雙層鋼管混凝土試件，某一次沖擊過程中所形成的凹陷變形等于該次沖擊后試件的凹陷變形減去上一次沖擊后試件的凹陷變形，即

Δδi=δi-δi-1

(3)

式中:Δδi表示的是第i次沖擊過程中試件形成的跨中凹陷變形。δi和δi-1分別表示第i次和第i-1次沖擊后試件的跨中凹陷變形。在本次試驗中，i=1,2,3。與跨中整體彎曲變形不同的是，7個雙層鋼管混凝土試件在每一次沖擊過程中所形成的跨中凹陷變形在大部分情況下都隨著沖擊次數的增加而減小(表3)。隨著沖擊次數的增加，夾在兩層鋼管之間的混凝土層很難進一步被壓縮，混凝土層在多次沖擊下仍能提供很強的局部抗壓承載力。因此，結構更傾向于通過整體彎曲變形消耗掉大部分的沖擊能量，導致跨中凹陷變形反而隨著沖擊次數的增加而減小。

2.5 吸能能力

本文作者在文獻[9]中提出了用一個無量綱量——吸能系數EAC(Energy Absorption Capacity,EAC)來量化評價結構在沖擊力作用下的吸能能力。在多次沖擊作用下，結構的吸能系數EAC的定義為

EAC=Ea/(G·wt)

(4)

式中:Ea表示在沖擊荷載作用下結構吸收的沖擊能量。本文作者在文獻[3]中利用有限元分析結果證實了在當前的試驗條件下，整個沖擊過程中的能量損失(包括落錘沖擊后的反彈能量，沖擊產生的熱能和聲能等)在5%以內。因此，本文忽略沖擊能量的損失，認為試件吸收的能量等于落錘沖擊前的動能，即Ei(表3)。G代表試件的總重量。Δwt表示試件在每一次沖擊過程中試件的跨中總變形，如表3所示。TRAVANCA等[12]在最近的數值研究中證明在側向沖擊力作用下管狀結構吸收的能量(即Ea)幾乎隨著其在沖擊力下受壓面的最大變形(即wt)線性增長，而與管狀結構的變形模式，邊界條件以及沖擊物和管狀結構之間的作用不存在太多相關。因此，吸能系數(EAC)能夠合理的體現多次沖擊作用下管狀結構自身的吸能能力。

所有試件在歷次沖擊作用下的吸能系數(EAC)可由式(4)計算得出，如表3所示。部分試件在歷次沖擊過程中的吸能系數如圖9所示。在第一次沖擊作用下，雙層鋼管混凝土試件的吸能系數明顯高于空鋼管試件。隨著沖擊次數的增加，鋼管出現了屈服，混凝土層出現了壓壞和裂縫，導致雙層鋼管混凝土試件的吸能系略有所下降，但相比空鋼管試件仍顯示了較高的吸能系數。這充分說明了雙層鋼管混凝土結構在多次沖擊作用下優(yōu)秀的吸能能力和抗沖擊性能。內外層鋼管壁厚以及混凝土層厚度的增加會在一定程度上提高雙層鋼管混凝土結構吸能能力的提高，如圖9所示。

(a) H-1, D-1, D-2和D-3 (b)H-2，D-2，D-5和D-7圖9 多次沖擊下試件的吸能能力Fig.9 Energy absorption capacity (EAC) for typical specimens under multiple impacts

3 結 論

本文利用落錘試驗，研究了雙層鋼管混凝土組合結構在多次沖擊作用下的抗沖擊性能，通過與空鋼管結構的比較分析，得出了以下結論：

(1)由于雙層鋼管混凝土組合結構中的混凝土層被內外兩層鋼管有效的約束，混凝土層的抗壓強度很高，進而有效提高了該組合結構的局部抗壓能力，將凹陷變形限制在沖擊位置周圍較小的范圍內。外層鋼管及其壁厚對該組合結構整體的抗沖擊能力和彎曲變形有著很大的影響。在側向沖擊力作用下，雙層鋼管混凝土結構顯示了更合理的變形模式，有效利用了鋼和混凝土兩種材料性能。

(2)吸能系數(EAC)能夠量化評價雙層鋼管混凝土結構在多次沖擊作用下的吸能能力。

(3)隨著沖擊次數的增加，雙層鋼管混凝土結構的抗沖擊能力和吸能能力逐漸降低，整體彎曲變形和凹陷變形也在逐漸增大，但仍表現出明顯優(yōu)于空鋼管結構(僅受到單次沖擊)的抗沖擊性能。這充分說明雙層鋼管混凝土結構在多次沖擊作用下仍具有良好的抗沖擊性能，可以應用于輸油輸氣管道等需要抗沖擊的結構中。實際工程應用中可適當增加外層鋼管和混凝土層厚度以提高結構的抗整體和凹陷變形能力，而由于內層鋼管主要起約束混凝土層的作用，其壁厚可適當降低。

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Behaviour of concrete-filled double skin steel tubes under multiple transverse impacts

WANG Yu1, QIAN Xudong2

(1. China IPPR International Engineering Company Limited, Beijing 100089, China；2. Department of Civil and Environmental Engineering, National University of Singapore, Singapore 117576, Singapore)

Drop hammer impact test was carried out on concrete-filled double skin steel tubes to study the impact performance of this kind of composite structures under multiple transverse impacts. The deformation mechanism of the composite tubes was analyzed and the impact force-time history curves during each impact as well as the global and the local deformation data after each impact for the composite specimens were obtained. The experimental results show that the outer steel tube and its thickness influence significantly the impact resistance and the global bending deformation of the composite tube; the concrete layer restricts effectively the local deformation of the composite tube. Compared to traditional hollow steel tubes, concrete-filled double skin steel tubes demonstrate advanced impact performance with smaller global and local deformation but higher energy absorption capacity.

concrete-filled double skin steel tubes; multiple transverse impacts; drop hammer impact test; impact performance

新加坡國立大學一級學術研究基金項目(R-302-501-020-112)

2015-12-08 修改稿收到日期：2016-01-13

王宇 男，博士，工程師，1987年8月生

TU317.2；TU398.9

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.02.001