側向沖擊荷載作用下圓鋼管混凝土柱力學性能分析

徐建章，陸晨光

(1.武漢理工大學土木工程與建筑學院，武漢 430070;2.浙江大東吳集團建設有限公司，湖州 313000)

鋼管混凝土指的是在鋼管中填充混凝土而形成的一種組合結構，其主要特點在于利用混凝土和鋼管的相互作用，彌補其各自在結構設計和施工中的缺點。一方面鋼管為核心混凝土提供約束，提高了核心混凝土的強度，也使核心混凝土塑性和韌性得到改善；另一方面混凝土的支撐作用可以延緩鋼管的屈曲，這樣充分地發揮了兩種材料的優勢。由于鋼管混凝土具有承載力高、塑性和韌性好、抗震性能突出、經濟效果顯著以及施工方便等優點[1]，近年來已經被廣泛地應用于超高層建筑、電力塔架和橋墩等工程領域。目前，國內外學者對鋼管混凝土結構的靜力學性能進行了大量研究，丁發興等[2]從連續介質力學的角度展開研究，對鋼管混凝土短柱進行彈塑性分析，建立了鋼管混凝土組合材料的應力-應變關系曲線的表達式。鄭玲玲等[3]應用OpenSEES有限元軟件計算圓鋼管混凝土短柱的軸壓承載力-應變關系曲線。結果表明，圓鋼管混凝土與普通混凝土的力學性能差異大；增大核心混凝土的強度、鋼材的套箍系數和屈服強度都可以提高構件的極限承載力。Sundarraja等[4]從數值模擬的角度對承受軸向壓力的鋼管混凝土柱的力學性能進行了研究。

鋼管混凝土結構在服役過程中，除了遭受靜力荷載外，還可能受到沖擊荷載的作用。例如，橋梁橋墩受到輪船的撞擊，建筑受到車輛的撞擊等。事實上，沖擊過程是一個復雜的非線性動態過程，與靜力荷載相比，影響結構力學性能的因素有很多，如應力波的傳播、材料應變率效應和慣性力等。近年來，鋼管混凝土結構在沖擊荷載作用下的力學性能成為了許多學者研究的熱點[5-8]。張晨等[9]對受軸向沖擊荷載的鋼管混凝土短柱進行研究，發現鋼管混凝土短柱抗沖擊承載能力較強。朱翔等[10]利用有限元分析軟件ABAQUS建立了鋼管混凝土柱受側向沖擊荷載作用的模型，并對已有文獻的試驗結果進行對比，驗證了模型的準確性。Qu等[11]使用有限元分析軟件LS-DYNA對圓鋼管混凝土構件在側向沖擊荷載作用下的力學性能進行了數值模擬。研究假設鋼管和混凝土之間的粘結為完全粘結，構件端部約束為固結，沖擊荷載作用于跨中。將數值模擬值與試驗值進行對比，發現二者吻合良好。并研究了沖擊塊動量、沖擊能量以及沖擊高度等參數對構件力學性能的影響。王蕊[12]、劉亞玲[13]和賈電波等[14]利用落錘沖擊試驗機對鋼管混凝土結構進行沖擊試驗，得到了構件的破壞形態、跨中撓度和沖擊力時程曲線等。由于鋼材在沖擊荷載的作用下會出現強度提高的特性，而以上研究很少涉及，論文通過數值模擬對受側向沖擊的圓鋼管混凝土長柱的力學性能進行了研究，同時考慮了鋼管和混凝土材料的應變率效應。

1 數值模型的建立

為了真實地反應構件實際受力情況，采用ABAQUS/Explicit顯示動力分析模塊對圓鋼管混凝土柱在沖擊荷載作用下的力學性能進行數值模擬，同時考慮了鋼管和混凝土材料的應變率效應以及不同部件之間的接觸問題等，構件尺寸參數見表1。

表1 尺寸參數

1.1 鋼材本構關系

該文鋼材的應力-應變曲線采用五段式彈塑性模型，即彈性階段、彈塑性階段、塑性階段、強化階段及二次塑流階段等5個階段，鋼材的力學性能見表2。

表2 鋼材的力學性能

鋼材在沖擊荷載作用下強度會有所提高，其強度隨著加載率的變化而變化。由于該文研究的是低速沖擊的力學問題，故采用Cowper-symonds模型[15]。在該模型中，鋼材的動態強度提高系數主要取決于應變率，動態屈服函數為

(1)

1.2 混凝土本構關系

采用劉威[16]提出的核心混凝土受壓本構模型，該模型考慮了鋼管對核心區混凝土的套箍效應。核心混凝土采用C30，抗壓強度fcu取31.2 MPa。此外，混凝土在沖擊荷載的作用下，受應變率效應的影響，其抗壓強度和抗拉強度都有所提高，CEB規范[17]中建議利用動力增大系數來考慮應變率的影響。

1.3 模型建立

利用有限元軟件ABAQUS/Explicit建立圓鋼管混凝土柱受側向沖擊荷載作用的數值計算模型。模型包含鋼管、核心混凝土、兩端蓋板、支座圓鋼和落錘5個部分。其中，鋼管采用4節點減縮積分薄殼單元(S4R)，核心混凝土和兩端蓋板采用8節點減縮積分三維實體單元(C3D8R)模擬，由于錘頭和支座圓鋼在沖擊過程中的變形很小，故將其設置為RIGID剛體材料。

2 數值模擬結果與分析

2.1 沖擊速度的影響

為研究沖擊速度對圓鋼管混凝土柱力學性能的影響，取構件直徑208 mm，鋼管壁厚8 mm，沖擊高度分別取2 m 、3 m、4 m，對應沖擊速度分別為6.26 m/s、7.67 m/s、8.85 m/s。沖擊力時程曲線如圖2所示，沖擊力時程曲線大致可以分為4個階段:落錘在接觸構件的瞬間，沖擊力達到峰值，構件在極短時間內獲得較大的動能，導致下落的速度比落錘快，兩者間的接觸變弱，因而沖擊力出現衰減，該階段稱為峰值階段；構件持續變形，不斷消耗沖擊動能，導致構件跨中速度逐漸降低，而落錘由于重力的作用繼續下落，再次撞擊構件，落錘和構件之間再次接觸，沖擊力逐漸增大，再次出現峰值，與第一次沖擊力峰值相比，第二次沖擊力峰值有所減小，該階段稱為震蕩階段；當落錘和構件速度逐漸趨于一致，共同向下運動，沖擊力維持不變，將此時的沖擊力值稱作沖擊力平臺值。構件變形不斷增長，直至構件達到最大跨中撓度，該階段稱為穩定階段；當儲存在構件中的變形能釋放，構件產生回彈，跨中撓度恢復至一定值，亦稱為跨中殘余撓度。落錘和構件開始向上運動，沖擊力不斷下降，直至落錘離開構件，沖擊力變為零，整個沖擊過程結束，該階段稱為衰減階段。沖擊力峰值隨著沖擊速度的增加而增大。究其原因，沖擊速度的增大提高了材料應變率，從而增加了材料的強度，但應變率的提高對沖擊力平臺值的影響不大。

構件跨中撓度曲線和應變時程曲線分別如圖3和圖4所示。由圖3可知，跨中撓度隨沖擊速度的增加而增大。當沖擊速度一定時，跨中撓度隨時間不斷增大，當達到沖擊力衰減階段時，跨中撓度值開始減小。表明此時構件已經達到最大變形量并開始出現回彈。由圖4可知，當構件受到沖擊后，跨中截面下表面應變迅速增加，當超過極限拉應變后構件的變形不會恢復到初始狀態，存在殘余應變，殘余應變值隨著沖擊速度的增加而增大。

2.2 構件尺寸的影響

當沖擊速度為6.26 m/s時，利用鋼管壁厚為8 mm、管徑分別為148 mm和208 mm的構件進行模擬分析。沖擊力時程曲線如圖5所示，由圖5可知，沖擊力峰值和平臺值隨管徑的增加而增大，表明增大構件尺寸能夠提高鋼管混凝土柱的抗側向沖擊承載力。

2.3 鋼管壁厚的影響

為研究鋼管壁厚對圓鋼管混凝土柱力學性能的影響，取沖擊速度為6.26 m/s、模型管徑為208 mm、鋼管壁厚分別取6 mm和8 mm。沖擊力時程曲線如圖6所示，由圖6可知，沖擊力峰值和平臺值隨鋼管壁厚的增加而增大，表明增加鋼管壁厚能夠提高鋼管混凝土柱的抗側向沖擊承載力。不同鋼管壁厚的構件跨中撓度曲線和應變時程曲線分別如圖7和圖8所示。由圖7和圖8可知，鋼管壁厚對構件跨中撓度和應變都有一定的影響。增大鋼管壁厚，構件跨中撓度和殘余應變都有所降低，這是因為鋼管截面剛度隨壁厚的增加而增大，使得構件整體抗彎剛度變大。因此，適當增加鋼管壁厚能夠提高鋼管混凝土柱抗沖擊性能。

表3列出了沖擊速度與跨中最大撓度值，通過分析表3可以得出構件跨中的最大變形與外包鋼管的壁厚和構件截面尺寸的關系：當構件的截面尺寸一定時 ，增大鋼管壁厚，能夠減小構件跨中變形，且隨著沖擊速度的增加，減小的比率逐漸增大；當構件的鋼管壁厚一定時，增大截面尺寸，能夠減小構件跨中變形，但隨著沖擊速度的增加，減小的比率逐漸降低。

表3 試件跨中最大變形分析

3 結 論

該文運用大型有限元分析軟件ABAQUS進行數值模擬，研究了側向沖擊荷載作用下圓鋼管混凝土柱的力學性能，并分析了不同參數對圓鋼管混凝土柱力學性能的影響，得出以下結論：

a.沖擊力時程曲線包含峰值、震蕩、穩定和衰減4個階段，構件的沖擊力峰值和沖擊平臺值隨著沖擊速度的增加而增大。

b.構件跨中撓度和殘余應變隨沖擊速度的增加而增大，當達到沖擊力衰減階段時，跨中撓度值開始減小。

c.當構件尺寸一定時，增大鋼管壁厚，能夠減小構件跨中的變形，且隨著沖擊速度的增加，減小的比率逐漸增大；當構件的壁厚一定時，增大構件截面尺寸，也能夠減小構件的變形，但隨著沖擊速度的增加，減小的比率逐漸降低。