側向低速沖擊作用下柱的試驗研究進展

張玉騰，張紀剛,2*，張景煜

(1.青島理工大學土木工程學院，青島 266520；2.山東省高等學校藍色經濟區工程建設與安全協同創新中心，青島 266033；3.中建二局第二建筑工程有限公司，青島 266590)

工程結構遭受恐怖襲擊、意外撞擊、自然災害的發生率逐年增長，例如飛機撞擊高層建筑、車輛撞擊橋梁或停車場柱子、落石沖擊山區建筑等。特別地，隨著人口增長和城市化發展帶來的車輛和交通負荷的增加，使得車輛撞擊路邊建筑物的前柱、地下車庫柱子、高架橋墩等事故的報道更為顯著[1-2]。根據美國國家公路交通安全管理局的統計[3]，美國每年估計有1 000 輛卡車和公共汽車與橋梁相撞。柱作為工程結構中的關鍵承重構件，通常設計用于抵抗較大的軸向荷載，在側向沖擊荷載作用下可能引起局部損傷甚至引發結構連續性倒塌，是威脅建筑及使用者安全的重要因素之一。

受路寬或停車場空間限制，國內外現有橋墩防撞設計指南、規范中要求的防撞措施無法有效實現[4]，而現行設計規范對結構抗沖擊方面的規定也不完善，雖然中國2012年10月1日實施的《建筑結構荷載規范》將建筑結構所受荷載擴充為永久荷載、可變荷載及偶然荷載三大類，首次將爆炸、撞擊等偶然荷載引入結構設計中，但其內容尚不能為結構的抗沖擊設計提供可靠指導。

近年來，工程結構及構件的抗沖擊性能受到了國內外眾多學者的關注，主要集中在鋼筋混凝土梁和板：王明洋等[5]對低速沖擊作用下鋼筋混凝土板局部與整體變形和破壞做了理論分析，?zgür等[6]、Tolga等[7]對具有不同支撐類型和布局方式的鋼筋混凝土板進行了落錘試驗及有限元分析；Kishi等[8-9]對有無腹筋的簡支矩形混凝土梁、許斌等[10]對鋼筋混凝土深梁、竇國欽等[11]對高強鋼筋混凝土梁進行了落錘試驗；Erki等[12]對碳纖維增強聚合物(carbon fiber reinforced polymer,CFRP)加固鋼筋混凝土梁進行側向沖擊試驗。近幾年，國內外學者傾向采用數值模擬開展研究工作，例如，Thilakarathna等[13]對預加軸力、李藝等[14]對混凝土強度、汪俊文等[15]對配筋率、Zhao等[16]對柱支承條件等因素對鋼筋混凝土柱沖擊性能的影響進行數值模擬；王銀輝等[17]借助有限元對側向沖擊作用下鋼筋混凝土梁的慣性力分布做了進一步研究。雖然數值模擬可以提供大量的模擬數據，但由于材料和結構的動態特性與準靜態之間差距較大，在求解結構動力響應問題時，不僅需要對不同區域采用不同的本構關系，還要處理復雜的動邊界問題，因此正確理解最基本的沖擊動力學原理、概念和動態變形機制是準確建立模型的前提，而這一前提是建立在大量試驗基礎之上的。

目前，國內外關于側向低速沖擊作用下柱的試驗研究還不夠系統、完善，為更好地總結、分析各類結構和荷載參數對柱抗沖擊性能的影響，現梳理國內外專家學者對鋼筋混凝土柱、鋼管混凝土柱及組合柱抗沖擊性能的試驗方法及相關成果，以期為完善抗沖擊設計規范和行業標準提供一定幫助。

1 沖擊試驗裝置的特點及適用情況

對柱進行相關沖擊研究開始于20世紀70年代，研究手段包括理論分析與試驗研究，而在試驗研究初期，受試驗裝置和數據采集設備的限制，主要通過準靜態試驗的方式進行，直至20世紀90年代左右相關學者才設計研發了沖擊試驗裝置。

Feyerabend[18]最早制作了用于鋼筋混凝土柱沖擊試驗的重力式落錘試驗裝置，見圖1，其工作原理是將一定質量的落錘從指定高度垂直釋放，對試驗構件產生相應的沖擊力。直至今日，重力式落錘裝置仍是在國內外應用最廣泛、操作最簡便的試驗裝置。太原理工大學自主研發的DHR9401圓柱體平面錘頭落錘裝置是中國內典型重力式落錘試驗裝置(圖2)的代表，西南交通大學DHR9401楔形頭落錘裝置(圖3)也承擔了國內外學者的試驗工作。

圖1 帶鋼制平面錘頭的重力式落錘試驗裝置示意圖[18]Fig.1 Gravity drop weight test device with steel flat hamm[18]

圖2 太原理工大學重力式落錘試驗裝置Fig.2 Gravity drop hammer test device of Taiyuan University of Technology

圖3 西南交通大學重力式落錘試驗裝置Fig.3 Gravity drop hammer test device of Southwest Jiaotong University

Demartino等[19]為彌補落錘試驗裝置不能充分再現由于重力影響而產生的反彈條件的不足，設計了一種用于豎向構件水平沖擊測試裝置，見圖4。南京工業大學重型超高落錘水平試驗機是中國僅有的豎向構件水平沖擊試驗裝置，見圖5。

圖4 豎向構件水平沖擊試驗裝置示意圖[19]Fig.4 Schematic diagram of the horizontal impact test device for vertical members[19]

圖5 南京工業大學水平撞擊試驗裝置Fig.5 Horizontal impact test device of Nanjing Tech University

Tsang等[20]利用Push-over軟件基于能量守恒原理研究了車輛撞擊作用下建筑底層柱的抗沖擊性能，發現撞擊體的剛度會顯著影響目標體的動力響應。歐洲標準化委員會：歐洲規范1(European Committee for Standardization：Eurocode 1,EC1)[21]基于沖擊過程的能量耗散機制將沖擊分為：①硬沖擊：初始動能由撞擊物體耗散，例如帶有可變形船頭的船舶和車輛與混凝土結構的碰撞；②軟沖擊：大部分初始動能被沖擊結構耗散，如巖石和剛性物體對混凝土結構的沖擊。而國內外學者愿意將撞擊體變形的行為稱為柔性沖擊，例如趙武超等[22]開展了柔性沖擊下鋼筋混凝土柱的動態響應的數值模擬。

為了獲得更加真實的柱受汽車撞擊的動力響應情況，Loedolff[23]考慮車輛潰縮設計了撞擊體頭部帶有緩沖部件的水平(擺錘)式沖擊試驗裝置，以模擬柔性沖擊工況。試驗裝置如圖6(a)所示，撞擊體組成如圖6(b)所示，緩沖部件由鋼管組成，并限定緩沖部件的最終壓潰變形量。

圖6 柔性沖擊試驗裝置示意圖[23]Fig.6 Schematic diagram of the flexible impact test device[23]

孟一[24]發明了一種可潰縮落錘錘頭，見圖7(a)所示，用于柔性沖擊試驗。當錘頭下落與試驗構件產生接觸時，彈簧壓縮實現錘頭潰縮直至與上部配重承臺剛接形成一個整體，隨后可模擬車輛潰縮變形后，發動機與試件的剛性沖擊，試驗裝置如圖7(b)所示。但該試驗裝置尚未應用至相應的沖擊試驗中。

圖7 含可潰縮錘頭的落錘試驗裝置示意圖[24]Fig.7 Drop weight test device with collapsible hammer[24]

綜上可以看出，現階段大部分學者在開展沖擊試驗研究時，不考慮撞擊體的變形，將其簡化為剛性沖擊問題，將初始動能全部施加至目標體，將其認為是對目標體損害的極限條件，故試驗結果對于設計指導偏于安全。

2 鋼筋混凝土柱的試驗研究

Loedolff[23]對底部固結的8組共36個試件進行了靜態試驗和沖擊試驗(首次柔性沖擊試驗)發現：在沖擊荷載的最大峰值接近靜載試驗破壞荷載的試驗條件下，相比于靜態試驗柱底部發生彎曲破壞，沖擊荷載下柱子下部區域發生了更為嚴重的剪切破壞。在沖擊試驗中，隨著軸壓的增加，低配筋率鋼筋混凝土(reinforced concrete,RC)柱的抗沖擊能力增幅低于高配筋率RC柱，顯示出軸壓及配筋率對RC柱抗沖擊性能的顯著影響。

Huynh等[25]使用落錘沖擊試驗進行了16個具有簡單邊界條件的活性粉末混凝土(reactive powder concrete,RPC)柱縮尺試件沖擊試驗，包括高強度混凝土柱、具有活性粉末(RPC)混凝土外殼的高強度混凝土芯柱和活性粉末混凝土柱，研究其失效模式、延展性和吸能力(抗沖擊性)的影響。試驗結果表明：使用RPC可以提高混凝土柱的吸能能力，且軸力及其偏心距對柱子的抗沖擊能力和受沖擊破壞模式均有顯著影響。

Demartino等[19]利用自主研發的試驗裝置完成了在不同邊界條件下10個具有不同箍筋間距圓形RC柱的剛性沖擊試驗。結果表明，配筋率和邊界條件對結構的動力響應和損傷均有顯著影響。試驗中柱大多呈脆性剪切型破壞，其特征是由柱底至沖擊點的一條主斜裂縫，揭示了柱構件的高易損性。作者反復觀察水平沖擊試驗過程中錘頭與試樣接觸和分離的相對運動過程發現：與常規落錘沖擊試驗相比，水平沖擊試驗得到的沖擊力-時程曲線在穩定階段波動較大，這是因為落錘重力加速度的存在和落錘沖擊試驗中較大的速度加速了錘子和試樣之間反復接觸和分離的過程。

吳吉光等[26]在Demartino等[19]的工作基礎上，分析了沖擊速度和配箍率對懸臂圓形RC柱抗沖擊性能影響，試驗表明：增加配箍率可顯著提高柱的抗變形能力并減少沖擊對混凝土柱的損傷。該試驗進一步完善了圓形RC柱抗側向沖擊性能的研究成果。

Cai等[27]和Ye等[28]分析了長細比對鋼筋混凝土柱抗沖擊性能的影響。試驗結果顯示，橫截面尺寸較大的試件沖擊力隨時間變化曲線較豐滿，沖擊力峰值后的分離時間較短。試件長細比的提高導致抗彎剛度降低，抗彎剛度值較小的試件受沖擊損傷情況更嚴重。隨著沖擊高度的增加，觀察到柱呈受彎破壞，其特征是受拉鋼筋的屈服和混凝土保護層的剝落。Cai等[27]還將試驗結果與美國國家高速公路和交通運輸協會(American Association of State Highway and Transportation Officials,AASHTO)經驗公式計算的沖擊等效靜力比較后發現：僅與沖擊重量和速度有關的經驗方程會高估等效靜力，導致抗沖擊結構設計過于保守。Ye等[28]對沖擊損傷試件進行了靜載試驗，以評估其殘余抗力及相應的性能，發現損傷試件的極限承載力降低了7%～14%。

Wei等[29]對比分析了半球形錘頭沖擊方形RC柱和超高性能混凝土柱(ultra-high performance concrete,UHPC)柱、楔形錘頭沖擊圓形RC柱和UHPC柱的動力響應及損傷程度。結果表明：RC柱均經歷了脆性剪切破壞，并且大部分混凝土碎裂，而UHPC柱在嚴重沖擊情況下僅表現出輕微的彎曲損傷，顯示出更高的抗沖擊性能。劉艷輝等[30]使用落錘裝置對軸壓為0和200 kN的鋼筋混凝土柱高2/9處進行了沖擊試驗，發現軸力的存在使構件的破壞更嚴重。

Gholipour等[31]對不同軸壓的RC柱進行數值模擬后發現RC柱的峰值沖擊力與失效模式受沖擊點和支撐之間距離的影響很大。Do等[32]指出對于自重較大的足尺鋼筋混凝土柱，慣性對其動力響應的影響非常顯著。自此，國內外學者開始關注縮尺試件與原型柱的初始沖擊響應之間存在的差異情況。Gurbuz等[33]在落錘試驗裝置下測試并評估了四個足尺軸向加載的RC柱的沖擊性能，研究表明：軸壓比顯著影響柱的動力響應和破壞模式。

相較于國外研究進展情況，中國對于鋼筋混凝土柱側向沖擊性能研究的豐富性和系統性還有待進一步完善。國內外專家學者對側向低速沖擊作用下鋼筋混凝土柱的試驗信息匯總見表1。

表1 低速沖擊鋼筋混凝土柱試驗信息匯總表Table 1 Summary of low-velocity impact reinforced concrete column test information

綜上所述，國內外專家學者主要利用落錘裝置，少數采用水平沖擊裝置分析了試件尺寸、端部約束方式、軸壓、配筋率、混凝土強度等因素對縮尺RC柱抗沖擊性能的影響，得到的較為一致的結論有：①試件尺寸、軸壓及配筋率顯著影響RC柱的抗沖擊性能，軸力的存在使構件的破壞更嚴重；②固-簡約束比懸臂邊界條件對RC柱的動力響應和損傷的影響更為顯著；③一定范圍內，混凝土強度的提高可以增強柱的抗沖擊性能。由于現有試驗研究側重點不同、試驗條件差異性大，相關試驗數據難以進行相關性分析。

此外，也注意到鋼筋混凝土柱側向低速沖擊試驗研究還存在一些不足，有待更多試驗的進一步驗證，主要包括：①沖擊界面方面，Adhikary等[34]對RC梁進行了落錘沖擊試驗后，強調“沖擊界面(即直接撞擊或在撞擊體與構件之間設有某種界面，如鋼板或膠合板、石英砂等)可能是當前試驗程序中未觀察到引起構件失效模式變化的原因之一”。在文獻[25-27]、RC梁[35-36]、RC墻[37]的試驗中，作者為了保證沖擊力的有效傳遞、防止錘頭與構件單點接觸造成局部損壞等原因在錘頭與構件之間均增設了額外截面，但并未設置對比組以探求沖擊界面與構件動力響應之間的關系。②沖擊位置方面，對于汽車撞擊建筑物柱等情況，其沖擊位置較低，文獻[22,30]較真實地還原了事故背景，文獻[27-28]的試驗結果發現隨著沖擊高度的增加，柱的破壞模式從剪切變為彎曲破壞。如何確定柱受沖擊的最不利位置，將是未來研究的一個重要方向。③沖擊錘頭方面，現階段大多數學者基于自有試驗設備(圓柱形平面錘頭)進行了若干剛性沖擊試驗，Kishi等[8]使用不同形狀的錘頭沖擊RC梁后認為構件的沖擊行為不受錘頭形狀的顯著影響；王明洋等[38]對矩形截面RC梁的沖擊簡化計算發現，平面形錘頭較楔形錘頭(頭部呈90°)在侵徹和局部變形中消耗的能量最少，絕大部分沖擊能量傳給了被沖擊構件，認為平面錘頭是最不利的沖擊形狀。而在RC柱的試驗中，文獻[27-28]發現了錘頭直徑與柱長之比對構件局部屈曲的顯著影響，文獻[29]使用不同形狀的錘頭對比了RC柱的破壞趨勢，未再對錘頭形狀及尺寸對構件的局部響應與破壞的影響情況進行具體討論。因此，降低試驗條件對結果的干擾，提高試驗因素對沖擊性能影響的敏感性，獲得更科學合理的試驗數據，將是未來側向低速沖擊作用下鋼筋混凝土柱試驗的重要任務。

3 鋼管混凝土柱的試驗研究

文獻[39]較早開展了鋼管混凝土結構構件在沖擊荷載下性能的研究，文獻[40-41]定性介紹了鋼管混凝土具有的良好耐撞性；Prichard等[42]對比了70個由鋼(不同厚度)、鋁或塑料的薄壁空心管限制的混凝土圓柱體受軸向沖擊作用的響應情況，為鋼管混凝土柱的抗沖擊研究奠定了試驗基礎。

對于受側向沖擊作用的鋼管混凝土柱的研究主要成果如下。

李珠等[43-44]對固-簡與固-固邊界條件的鋼管混凝土構件進行的側向沖擊試驗發現：在側向荷載作用下，材料有明顯的屈服階段，鋼管混凝土構件表現出良好的延性；試驗還揭示了鋼管厚度、套箍系數、沖擊速度等因素對構件臨界沖擊破壞能的顯著影響，為進一步研究奠定了基礎。

王蕊等[45]、李立軍等[46]在文獻[43]的基礎上，對套箍系數分別為1、1.15和1.9的兩端簡支鋼管混凝土梁在不同側向沖擊能作用下的動力響應進行試驗研究發現：套箍系數是影響構件臨界破壞能量的最重要因素，套箍系數能夠有效降低其撓度；臨界破壞能是套箍系數的二次函數。

任夠平等[47]對不同壁厚、兩端簡支和固-簡邊界條件的鋼管混凝土構件在側向沖擊作用下的橫向撓度和撓曲線進行了試驗測試。試驗結果顯示：在側向沖擊下，鋼管混凝土柱跨中最終撓度變化與沖擊能量變化成線性關系，與套箍系數變化趨勢相反，與支座約束強度變化趨勢相反。建議從增強支座約束、加大構件套箍系數方面提高鋼管混凝土柱抗側向沖擊能力。

李珠、王蕊等的一系列研究成果相輔相成，首次較為系統地研究了不同套箍系數、邊界條件等不同鋼管混凝土構件在側向沖擊載荷作用下的動力響應，并進一步對更多尺寸的試件進行數值模擬，為工程實際提供了可靠的理論依據。

Remennikov等[48]對普通鋼管混凝土、Bambach[49]對不銹鋼鋼管混凝土、Yousuf等[50-51]對低碳鋼鋼管混凝土在側向沖擊荷載下的強度和延性進行試驗研究，比較結果發現構件含鋼率及鋼材強度的提高對抗側向沖擊能力的提升有顯著影響。

Deng[52-53]、Han等[54]、Shakir等[55]對落錘沖擊水平放置的鋼管混凝土柱的試驗研究發現，混凝土填充可以提高長管的最大沖擊力，但比例低于短管和中管。

Deng等[53]對高強鋼管混凝土，Wang等[56](圖8)對超輕混凝土，Han等[54]、楊有福等[57-58]對鋼管再生混凝土的研究發現：混凝土強度的變化對其抗側向沖擊能力的影響較小。

圖8 配R30楔形錘頭的重力落錘測試裝置[56]Fig.8 Gravity drop hammer test device with R30 wedge-shaped hammer head [56]

王瀟宇等[59]對比了部分填充(填充40%，高度600 mm) 鋼管混凝土柱與完全填充鋼管混凝土柱在柱高400 mm處作用側向沖擊荷載的破壞機理，試驗表明：混凝土填充有利于提高抗沖擊性能；固-簡的鋼管混凝土柱易發生受剪破壞，而懸臂柱則發生根部彎曲破壞。

王宇[60-61]是中國較早提出應在試驗中考慮上層構件或設備跌落造成二次或多次撞擊情況的學者，先后研究的單層鋼管混凝土柱在兩次和雙層鋼管混凝土柱在三次側向沖擊作用下的動力響應試驗顯示出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。

王路明等[62]為真實反映構件底部遭遇車輛沖擊的工程背景，在前期鋼筋混凝土柱抗側向沖擊試驗(文獻[30])基礎上，再次使用落錘試驗裝置研究了沖擊點位于試件2/9凈跨處的鋼管混凝土構件發生變形、開裂及斷裂的受力機理，對比了相同試驗條件下、不同類型柱構件的抗側向沖擊能力的成果。

國內外專家學者對側向低速沖擊作用下鋼管混凝土柱的試驗信息匯總見表2。

表2 低速沖擊鋼管混凝土柱試驗信息匯總表Table 2 Summary table of test information for low-velocity impact concrete-filled steel tubular columns

續表2

鋼管混凝土柱側向低速沖擊試驗成果較RC柱更為豐富，主要研究成果：①混凝土填充能夠大幅提高鋼管柱的抗沖擊性能；②鋼材強度、套箍系數能夠有效提高其側向沖擊能力；③混凝土強度、邊界條件對構件側向沖擊能力的影響不明顯；④鋼管混凝土柱抵抗二次沖擊的能力更好。

此外，也注意到試驗研究還存在一些不足：①尺寸效應方面，鋼管混凝土抗沖擊性能的試驗幾乎全部采用縮尺模型，一般橫截面為原型尺寸的1/5～1/8，也有1/50的縮尺試件，并未有試驗驗證文獻[31-32]中提到的尺寸效應對構件抗沖擊性能的影響；②沖擊位置方面，與RC柱相類似的，大多數試驗研究沖擊了鋼管混凝土柱的跨中位置，不能反映汽車、輪船撞擊的真實工況，還需進行更多試驗以分析其受側向沖擊后構件發生變形、開裂及斷裂的受力機理。

4 組合柱的試驗研究

4.1 鋼-混組合柱的試驗研究

隨著社會發展的需要，各種新型鋼-混凝土組合結構問世[63]，在高層和超高層建筑、橋梁工程中的應用越來越廣泛[64-65]，它們具有高承載力、高延性和耐火性能，已得到國內外的一致認可，而它們的抗沖擊性能也受到國內外學者的重視。

在圓形鋼-混組合柱層面，胡昌明等[66]對鋼管混凝土疊合試件(圖9)，朱翔等[67-68]對實心夾層鋼管混凝土柱、空心夾層鋼管混凝土柱、內插雙 H 型鋼鋼管混凝土柱等三種截面類型的復合柱(圖10)和外包鋼管加固RC柱(圖11)[69]；朱翔等[70]、Wei等[71]對型鋼混凝土圓鋼管柱[圖12、圖10(b)]，Liu等[72]對十字型鋼混凝土柱[圖10(b)]的抗沖擊性能進行了系統的試驗研究。文獻[66-70]發現隨著沖擊高度的增加，試件表面觀察到的彎曲裂紋和剪切裂紋越來越密集、越來越寬；文獻[68]表明在相同外徑和用鋼量前提下，實心夾層鋼管混凝土抗沖擊性能最佳；文獻[69]證實外包鋼管加固RC柱是一種可行的抗沖擊加固措施。雖然試驗的邊界條件、軸壓比、鋼管厚度、型鋼尺寸、混凝土強度等關鍵參數不盡相同，但在一定軸壓比范圍內，不同截面類型的圓形鋼-混組合柱均表現出優于普通鋼筋混凝土柱的性能。

圖9 圓形鋼管混凝土疊合試件側向沖擊試驗[66]Fig.9 Lateral impact test on round steel pipe concrete laminated specimens [66]

圖10 三種復合柱剖面圖Fig.10 Sections of three composite columns

圖11 外包鋼管加固RC柱剖面圖[69]Fig.11 Section of RC column reinforced by outer wrapped steel pipe[69]

圖12 H型鋼鋼管混凝土柱剖面圖Fig.12 Sectional view of H-section CFST column

朱翔團隊基于工程實踐取得的豐碩研究成果為新建大型鐵路站房柱抗沖擊選擇最優截面和加固措施提供了系統、有效的試驗依據。

在方形鋼-混組合柱層面，司強等[73]、Hui等[74]研究了內置八邊形鋼管的空心鋼筋混凝土構件(圖13)的力學性能，試驗結果顯示：用內襯鋼管替代內置鋼筋籠使得構件的抗沖擊性能明顯優于相應的普通空心鋼筋混凝土構件。朱翔等[75]對比了不同沖擊速度、沖擊能量、軸壓和邊界條件等因素對鋼骨混凝土構件(圖14)的動力響應的影響，較為全面分析了鋼骨混凝土柱的抗沖擊性能。

圖13 內置八邊形鋼管柱剖面圖Fig.13 Sectional view of built-in octagonal steel pipe column

圖14 鋼骨混凝土柱剖面圖[75]Fig.14 Section of steel and concrete column[75]

上述成果均為單次沖擊試驗，劉焱華[76]對廣泛應用于建筑承載邊柱、角柱的內置L形鋼骨的型鋼混凝土方柱(圖15)進行了三次重復沖擊作用，試件總體呈現“S”形變形，且均未出現坍塌、穿孔等現象，整體性較好；對三次沖擊損傷型鋼混凝土(steel reinforced concrete，SRC)柱的單軸抗壓試驗發現其具有較高的承載能力，展示出型鋼混凝土柱良好的抗沖擊性能。

圖15 L形配鋼型鋼混凝土方柱剖面圖[76]Fig.15 Sectional view of L-shaped steel-section steel-concrete square column[76]

4.2 復合材料組合柱

利用纖維增強復合材料(FRP)加固混凝土柱是近年來的研究熱門，Pham等[77]證實了靜態條件下柱外包裹FRP加固方式可有效提高抗壓強度、應變和延展性，其他相關文獻介紹了沖擊荷載下FRP復合材料的沖擊性能[78-79]。在此基礎上，選擇合適的FRP種類及加固方式以提高RC柱的抗沖擊能力成了國內外專家學者研究FRP應用的重要方向。

Fuhaid等[80]對比了外包芳綸纖維增強聚合物(AFRP)護套和鋼筋混凝土護套對提高RC柱抗沖擊性能的提升情況，試驗表明AFRP護套雖然可以減小RC柱的最大側向位移和殘余位移，但不能消除其內部損傷；且AFRP護套對柱子抵御撞擊的效果不如鋼筋混凝土護套。Xiao等[81]使用落錘裝置對碳纖維增強聚合物(CFRP)加固封閉式鋼管混凝土(concrete filled steel,CFT)柱進行了試驗分析。結果表明：增加鋼管的厚度并通過CFRP提供額外的橫向約束可以增強CFT構件的抗沖擊行為。劉偉慶、王俊團隊是中國較早研究GFRP-鋼組合柱抗沖擊性能的專家。在其帶領下，李洋[82]、劉強強等[83]對側向沖擊作用下玻璃纖維復合材料(GFRP)包裹鋼管的動力響應與抗沖擊性能進行了分析，試驗表明：增加GFRP的厚度，可以加強鋼管的約束作用，使試件在相對較小的位移之內耗散更多的沖擊能量，提高了試件的抗沖擊性能。Pham等[84]研究了縱向玻璃纖維復合(GFRP)筋配筋率對混凝土柱側向沖擊響應的影響。試驗結果表明：縱向GFRP配筋率對柱的破壞形態和抗沖擊能力有重要影響，但對沖擊力峰值的影響較小。

除了FRP材料外，還有更多種類加固材料的抗沖擊性能有待探究，例如黃微波[85]提出聚脲彈性體作為外部涂層或襯里可顯著提高建筑物的抗爆能力，但考慮經濟及操作便捷性，尚未有學者開展其在低速沖擊作用下的加固試驗。又例如高強鋼絲織物復合材料(steel reinforced polymer,SRP)具有資源充足、經濟性高、抗剪切性能強等優勢[86]，Ascione等[87]證實SRP材料加固的結構在表現出更高的韌性和能量耗散，但尚未有關于利用SRP加固抵抗沖擊的研究。

雖然各類組合柱在側向低速沖擊作用下的良好沖擊性能已得到國內外專家學者的認可，但由于組合柱的截面類型迥異、材料類型多樣化，造成試驗研究獨立性強、成果相關性差，因此該領域還需加強試驗研究，以便為側向沖擊與加固的理論研究提供更多更有效的試驗數據。

5 研究展望

目前，國內外專家對柱結構在側向沖擊作用下的動力響應開展了一系列試驗研究，取得了較為豐碩的成果，在該領域也形成了部分共識，但仍存在若干亟待解決的問題。

(1)當前側向低速沖擊的柱的試驗研究成果已涵蓋多個角度，但不同學者的研究側重點不同，造成試驗條件差異性大、試驗數據波動性大等問題，試驗數據難以進行回歸分析，使得抗沖擊性能影響因素的研究大多是定性的，尚未形成定量關系，與形成相關抗沖擊設計標準還有較大差距。

(2)雖然，Pham等[88]專家的數值模擬結果再次強調了接觸剛度對沖擊力峰值和持續時間的顯著影響，但接觸剛度的試驗條件較為苛刻，現階段大多實體試驗仍以剛性沖擊為主，其中落錘試驗裝置因可操作性高而受到國內外專家的青睞，然而考慮結構響應中的慣性影響、落錘受重力影響而反彈不足的問題，為更加真實地還原撞擊條件，對于柱這類豎向構件應更多的開展足尺試件的水平沖擊試驗，并且科學調整撞擊位置，提高試驗數據對理論分析和數值模擬的指導意義。

(3)由于摩擦導致的沖擊試驗能量損失會影響錘頭的沖擊速度和能量，而大多數學者在進行試驗時為簡化工作程序，將下落高度與錘頭質量代入相關公式計算得出沖擊速度及能量，默認忽略了能量損失，使得沖擊試驗的結果可能存在一定誤差。

(4)目前大多數學者對柱構件在側向沖擊荷載作用下的動力響應研究是單次的，未考慮到實際工程事故中可能會有來自上一層構件或設備跌落造成的二次或多次沖擊損傷，且未較少關注沖擊損傷后柱的殘余力學性能，還不能為柱在遭受沖擊荷載下的合理設計及加固防護提供更多的基礎數據。

(5)對各類復合材料的加固機理須進行更多的試驗研究，優化加固位置、加固方式與抗沖擊性能的關系，將是現有柱結構抵御側向沖擊的重要研究方向。