側(cè)向撞擊荷載作用下內(nèi)八邊形空心鋼筋混凝土柱的動(dòng)力響應(yīng)*

陳亮廷，王 蕊

（太原理工大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，山西 太原 030024）

近些年來(lái)，世界范圍內(nèi)地震頻發(fā)，汽車和列車脫軌撞擊橋墩會(huì)造成重大損失。空心鋼筋混凝土柱（見(jiàn)圖1（a））相比于實(shí)心鋼筋混凝土柱可以有效提高穩(wěn)定性。鋼管空心鋼筋混凝土柱（見(jiàn)圖1（b））既可以提高柱子的穩(wěn)定性又可以提高柱子的耐撞擊性能。Wang等[1]、王蕊等[2]、任夠平等[3]進(jìn)行了一系列鋼管混凝土梁在側(cè)向撞擊下的動(dòng)力響應(yīng)研究。張瑞坤等[4]研究了鋼筋混凝土柱在三角形脈沖荷載下的動(dòng)力響應(yīng)研究。馮宇等[5]研究了配筋率對(duì)混凝土柱抗側(cè)向抗沖擊性能的關(guān)系。Han等[6]通過(guò)試驗(yàn)并模擬了高強(qiáng)鋼管混凝土構(gòu)件橫向沖擊，通過(guò)參數(shù)分析并建立了鋼管混凝土構(gòu)件在沖擊荷載作用下的抗彎承載力簡(jiǎn)化模型。朱翔等[7]對(duì)外包鋼管加固RC柱進(jìn)行了沖擊試驗(yàn)研究和數(shù)值理論研究。周澤平等[8]進(jìn)行了低速撞擊下鋼筋混凝土梁的變形和破壞的試驗(yàn)研究。田力等[9]研究了鋼筋混凝土柱在撞擊荷載下的損傷評(píng)估和防護(hù)方法。Thilakarathna等[10]對(duì)鋼筋混凝土軸壓柱側(cè)向沖擊荷載下動(dòng)力特性和損傷程度進(jìn)行了研究。Fujikake等[11-12]對(duì)鋼筋混凝土梁的抗沖擊性能進(jìn)行了一系列的研究。Al-Thairy等[13]對(duì)不同軸壓比的鋼柱在橫向撞擊下的試驗(yàn)和理論研究。Rememikov[14]、Bambach等[15-16]、Yousuf等[17]進(jìn)行了不銹鋼鋼管混凝土構(gòu)件和普通鋼管混凝土構(gòu)件在落錘撞擊試驗(yàn)下的沖擊性能研究。

圖1 空心混凝土柱Fig. 1 Hollow concrete

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)裝置

圖2 落錘沖擊試驗(yàn)裝置Fig. 2 Drop-weight impact test setup

表1 落錘參數(shù)Table 1 Parameters of drop-weight

圖3 試驗(yàn)裝置示意圖Fig. 3 Schematic illustration of testing setup

試驗(yàn)在太原理工大學(xué)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的大型落錘試驗(yàn)機(jī)上完成，如圖2所示。落錘試驗(yàn)機(jī)主要由頂部大梁、電葫蘆吊機(jī)、脫鉤器、錘體、錘頭以及落錘防護(hù)裝置等組成，沖擊力傳感器安裝在錘體和錘頭之間，組成落錘。通過(guò)控制電葫蘆吊機(jī)控制落錘升降，通過(guò)激光測(cè)距儀來(lái)控制高度，通過(guò)脫鉤器控制落錘的釋放。通過(guò)液壓千斤頂施加軸力。落錘尺寸如表1所示，試驗(yàn)裝置如圖3所示。落錘最大提升高度為5.0 m，落錘總質(zhì)量為1.15 t (國(guó)內(nèi)最大)。落錘試驗(yàn)機(jī)具體操作過(guò)程：首先用鉤子吊住落錘；然后，在脫鉤器內(nèi)插入安全銷子；使用遙控器緩緩提升落錘，并在提升中使用激光測(cè)距儀控制落錘距離構(gòu)件表面的高度，等待落錘基本無(wú)晃動(dòng)后，將安全銷子從脫鉤器內(nèi)拉出，再次等待落錘基本無(wú)晃動(dòng)后，迅速拉動(dòng)脫鉤器釋放落錘。本次試驗(yàn)中落錘質(zhì)量保持不變。

1.2 試件材料

試件材料的材料參數(shù)如表2所示。

表2 試件材料幾何尺寸和性質(zhì)Table 2 Specimen geometry and material properties

1.3 試件尺寸

為了和實(shí)際工程更加接近，本次試驗(yàn)的構(gòu)件設(shè)計(jì)長(zhǎng)1 800 mm，凈跨1 200 mm，截面尺寸400 mm×400 mm，內(nèi)八邊形空心鋼筋混凝土柱構(gòu)件（圖4）箍筋間距在支座處為25 mm，支座過(guò)渡段為50 mm，在中間為100 mm;內(nèi)襯八邊形鋼管空心鋼筋混凝土柱構(gòu)件（圖5）箍筋間距在支座處為50 mm，在中間為100 mm，鋼管厚度（T）分別為2 mm和3.91 mm。

1.4 試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果

本試驗(yàn)過(guò)程中記錄了撞擊力時(shí)程曲線和跨中位移時(shí)程曲線，并觀測(cè)了構(gòu)件的最終破壞形態(tài)。其中，撞擊力時(shí)程曲線由固定在鋼錘中間的力傳感器記錄，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用NIPXIe-1006Q型號(hào)，通過(guò)LabView Signal Express軟件進(jìn)行采集；跨中位移時(shí)程曲線通過(guò)高速攝像機(jī)對(duì)沖擊過(guò)程中觀測(cè)點(diǎn)的追蹤進(jìn)行記錄，拍攝速度取為4 000 s-1。構(gòu)件的試驗(yàn)結(jié)果記錄如表3所示。

圖4 內(nèi)八邊形空心鋼筋混凝土柱Fig. 4 Inner octagonal hollow reinforced concrete column

圖5 內(nèi)襯八邊形鋼管空心鋼筋混凝土柱Fig. 5 Inner octagonal hollow steel tube reinforced concrete column

表3 試件編號(hào)和試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Experimental results

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 破壞形態(tài)

結(jié)合撞擊試驗(yàn)后構(gòu)件破壞的形貌如圖6所示，本次試驗(yàn)的破壞形態(tài)分為局部型破壞（Ⅰ型）和整體型破壞（Ⅱ型），如圖7所示。

Ⅰ型：落錘與構(gòu)件撞擊位置局部壓裂，落錘邊緣與支座之間柱腹部混凝土拉應(yīng)變達(dá)到混凝土的極限拉應(yīng)變值時(shí)，混凝土沿主壓應(yīng)力線開(kāi)裂形成腹剪斜裂縫，構(gòu)件的下側(cè)混凝土在彎矩作用下產(chǎn)生豎向裂縫。

Ⅱ型：落錘與構(gòu)件撞擊位置發(fā)生嚴(yán)重壓碎，落錘能量大，落錘邊緣與支座之間柱腹部混凝土因?yàn)榭箟耗芰Σ蛔阊杆侔l(fā)生斜壓破壞，混凝土剝落嚴(yán)重，鋼筋裸露，形成較寬的斜壓破壞區(qū)。構(gòu)件的下側(cè)混凝土在彎矩和剪力作用下產(chǎn)生豎向裂縫和橫向裂縫。

試件在承受某一能量E1撞擊時(shí)，試件此時(shí)的混凝土開(kāi)始形成腹剪斜裂縫，試件開(kāi)始喪失承載能力，E1稱為試件的撞擊開(kāi)裂極限能量。試件在承受某一能量E2撞擊時(shí)，試件此時(shí)的混凝土形成大量腹剪斜裂縫，試件急劇喪失承載能力，開(kāi)始出現(xiàn)斜壓破壞區(qū)，E2稱為試件的撞擊極限能量。

（1）當(dāng)撞擊高度H=2 m時(shí)，落錘的撞擊能量為22 540 J，E1＜22 540 J＜E2，試件的破壞形態(tài)為Ⅰ型；H=5 m時(shí)，落錘的撞擊能量為56 350 J，E2＜56 350 J，試件的破壞形態(tài)為Ⅱ型。

圖6 試驗(yàn)后構(gòu)件破壞形態(tài)Fig. 6 Failure mode of tested specimens

圖7 構(gòu)件破壞簡(jiǎn)化圖Fig. 7 Illustration of the failure of specimen

（2）當(dāng)撞擊高度H=5 m，邊界條件相同時(shí)，鋼管厚度越大，構(gòu)件的耐撞擊性能越好，如編號(hào)TFF-5的殘余撓度為29 mm，F(xiàn)F-5的殘余撓度為40 mm，RSS-5的殘余撓度為37 mm，SS-5的殘余撓度為52 mm。鋼管可以將構(gòu)件抗撞擊性能提高25%～28%。

（3）當(dāng)撞擊高度H=5 m，鋼管厚度，兩端固定可以明顯提高構(gòu)件的耐撞擊性能，如編號(hào)FF-5的殘余撓度為40 mm，F(xiàn)S-5的殘余撓度為50 mm，SS-5的殘余撓度為52 mm。兩端固定可以將構(gòu)件的抗撞擊性能提升20%。

2.2 撞擊力時(shí)程曲線

撞擊力時(shí)程曲線如圖8所示，從圖8中可以看出構(gòu)件的撞擊力時(shí)程曲線表現(xiàn)出相似趨勢(shì)，撞擊力在很短時(shí)間內(nèi)增長(zhǎng)到峰值，然后又迅速降到零，之后又連續(xù)出現(xiàn)多個(gè)峰值，最后撞擊力逐漸減小為零。

構(gòu)件與落錘撞擊，構(gòu)件的撞擊部位獲得向下的速度，落錘向上彈起，兩者分離之后，構(gòu)件的速度逐漸減低，落錘在重力作用下再次撞擊構(gòu)件，撞擊力出現(xiàn)第二次峰值，循環(huán)往復(fù)撞擊力時(shí)程曲線出現(xiàn)多個(gè)峰值階段，落錘的能量逐漸消耗，撞擊力逐漸減小為零。如編號(hào)SS-2出現(xiàn)多個(gè)逐漸減小的峰值，最后逐漸減小接近為零。

當(dāng)約束條件和軸壓比相同時(shí)，撞擊高度越大，撞擊力峰值越大。如撞擊高度H=2 m時(shí)編號(hào)FF-2的撞擊力峰值達(dá)到25 558 kN，撞擊高度H=5 m時(shí)編號(hào)FF-5的撞擊力峰值達(dá)到67 001 kN。

2.3 跨中位移時(shí)程曲線

跨中位移時(shí)程曲線如圖9所示，從圖9中可以看出跨中位移在撞擊后迅速增大，隨著能量的消耗，曲線的斜率逐漸減小，當(dāng)斜率減小為零時(shí)，跨中位移達(dá)到最大值。構(gòu)件逐漸恢復(fù)變形，最終在殘余位移值附近自由震動(dòng)。

（1）當(dāng)撞擊高度H=2 m，鋼管厚度為零時(shí)，一端固定一端簡(jiǎn)支相比兩端簡(jiǎn)支，可以提高構(gòu)件的耐撞擊性能。如一端固定一端簡(jiǎn)支條件下(試樣FS-2)的殘余撓度為6 mm；兩端簡(jiǎn)支條件下(試樣SS-2)的殘余撓度為11 mm。

（2）當(dāng)撞擊高度H=5 m，兩端的約束條件相同時(shí)，鋼管的厚度可以提高構(gòu)件的耐撞擊性能。如兩端固定條件下，鋼管厚度為零時(shí)（試樣FF-5）的殘余撓度為40 mm；在兩端固定條件下，鋼管厚度為3.91 mm（試樣TFF-5）的殘余撓度為29 mm。

圖8 撞擊力時(shí)程曲線Fig. 8 Force versus time curves in impacts

（3）當(dāng)撞擊高度H=5 m，鋼管厚度為零時(shí)，兩端固定與一端固定一端簡(jiǎn)支以及兩端簡(jiǎn)支相比，兩端固定可以提高構(gòu)件的耐撞擊性能。如兩端固定條件下（試樣FF-5）的最大跨中位移為35.9 mm；一端固定一端簡(jiǎn)支條件下（試樣FS-5）的最大跨中位移為41.9 mm；兩端簡(jiǎn)支條件下（試樣SS-5）的最大跨中位移為37.9 mm。

沖擊能量對(duì)構(gòu)件的影響可參見(jiàn)柱狀圖(圖10)，從圖10中可以顯著的得到看出撞擊高度和邊界條件對(duì)構(gòu)件耐撞擊性能的影響十分顯著。

圖9 跨中位移時(shí)程曲線Fig. 9 Trans-middle displacement versus time curves

圖10 沖擊能量對(duì)位移的影響Fig. 10 Influence of impact energy on displacement

（1）當(dāng)鋼管厚度T=0時(shí)，構(gòu)件撞擊高度由2 m上升到5 m時(shí)，能量增大1.5倍，構(gòu)件的跨中位移增大3.1倍。如一端固定一端簡(jiǎn)支，撞擊高度為2 m (FS-2的最大跨中位移為10.2 mm；一端固定一端簡(jiǎn)支，撞擊高度為5 m（FS-5）的最大跨中位移為41.9 mm。當(dāng)鋼管厚度T≠0時(shí)，構(gòu)件撞擊高度由2 m上升到5 m，能量增大1.5倍，構(gòu)件的跨中位移增大1.8倍。如兩端固定條件下，撞擊高度為2 m，鋼管厚度為3.91 mm（試樣TFF-2）的最大跨中位移為9 mm；兩端固定，撞擊高度為5 m，鋼管厚度為3.91 mm（試樣TFF-5）的最大跨中位移為25 mm。

（2）當(dāng)撞擊高度H=2 m，鋼管厚度為零時(shí)，兩端固支可以提高構(gòu)件的耐撞擊性能。一端固定一端簡(jiǎn)支條件下(試樣FS-2）的殘余撓度為6 mm；兩端簡(jiǎn)支條件下（試樣SS-2）的殘余撓度為11 mm。當(dāng)撞擊高度H=5 m，鋼管厚度為零時(shí)，兩端固定可以提高構(gòu)件的耐撞擊性能。如兩端固定條件下（試樣FF-5）的最大跨中位移為35.9 mm，一端固定一端簡(jiǎn)支條件下（試樣FS-5）的最大跨中位移為41.9 mm，兩端簡(jiǎn)支條件下（試樣SS-5）的最大跨中位移為37.6 mm。

（3）當(dāng)撞擊高度H=5 m，兩端固支時(shí)，鋼管厚度的增加可以構(gòu)件的抗撞擊性能。如兩端固定條件下，鋼管厚度為零 時(shí)（試樣FF-5）的殘余撓度為40 mm；兩端固定條件下，鋼管厚度為3.91 mm（試樣TFF-5）的殘余撓度為29 mm。

3 結(jié) 論

在本次試驗(yàn)研究范圍內(nèi)，得出如下主要結(jié)論：

（1）當(dāng)撞擊高度H=2 m時(shí)，構(gòu)件的破壞形態(tài)為Ⅰ型；當(dāng)撞擊高度H=5 m時(shí)，構(gòu)件的破壞形態(tài)為Ⅱ型。

（2）當(dāng)邊界條件和鋼管厚度相同時(shí)，隨著撞擊高度的增大，構(gòu)件的跨中位移增大，內(nèi)八邊形空心鋼筋混凝土柱的破壞越嚴(yán)重。

（3）當(dāng)撞擊高度為5 m，鋼管厚度為零時(shí)，兩端固定與一端固定一端簡(jiǎn)支以及兩端簡(jiǎn)支相比，兩端固定條件下構(gòu)件的抗撞擊性能可以提高20%。

（4）當(dāng)撞擊高度為5 m，兩端的約束條件相同時(shí)，構(gòu)件中含鋼管和不含鋼管相比，構(gòu)件中含鋼管構(gòu)件的抗撞擊性能提升25%～28%。