鋼管混凝土柱抗爆性能試驗研究綜述

摘" 要" 當今世界恐怖爆炸襲擊事件頻發，很多爆炸襲擊是針對建筑物和橋梁的，柱作為建筑物和橋梁的重要構件常成為襲擊的目標。鋼管混凝土柱在常規荷載作用下具有很多優良的結構工作性能，在工程實踐中得到了越來越廣泛的應用，為了探究其抗爆性能，很多學者開展了大量的試驗研究工作。對這些試驗研究工作進行了歸納總結，發現炸藥距離柱表面的比例距離和炸藥質量是決定鋼管混凝土柱破壞形態的主要因素，根據比例距離和炸藥質量的不同，鋼管混凝土柱將會出現三種不同的破壞形態：局部凹陷破壞、局部凹陷和整體彎曲破壞、整體彎曲破壞。鋼管截面形式、鋼管外徑與壁厚之比、混凝土強度、軸壓比等因素對特定破壞形式下的破壞程度均有一定的影響。此外，受到近距離爆炸荷載作用后，鋼管混凝土柱的軸向和抗震殘余承載力均有所下降，下降幅度與爆炸損傷程度成正比。在歸納總結已有文獻的基礎上，給出了鋼管混凝土柱抗爆性能試驗進一步的研究方向。

關鍵詞" 近距離爆炸， 鋼管混凝土柱， 試驗研究， 殘余承載力

收稿日期： 2023-06-15

作者簡介： 劉中輝（1981-），男，蒙古族，內蒙古赤峰人，博士研究生，講師，主要從事爆炸沖擊波的數值模擬研究。E-mail：fringeliu@126.com

* 聯系作者： 匡志平（1965-），男，漢族，江蘇揚中人，博士，教授，主要從事混凝土結構抗爆性能研究。E-mail： zhipingkuang@163.com

Review on Experimental Research on Blast Resistance of Concrete Filled Steel Tubular Columns

LIU Zhonghui1，2" KUAGN Zhiping1，*

（1.Department of Structural Engineering，Tongji University， Shanghai 200092，China； 2.Zhejiang Industry Polytechnic College， Shaoxing 312069， China）

Abstract" Terrorist bombing attacks are frequent in the world today， with many of them targeting buildings and bridges. Columns， as important components of buildings and bridges， often become targets of attacks. Concrete filled steel tube columns have many excellent structural performances under conventional loads and have been increasingly widely used in engineering practice. In order to explore their anti-explosion performance， many scholars have conducted a lot of experimental research work. This paper summarizes these experimental research works and finds that the scaled distance between the explosive and the surface of the column and the quality of the explosive are the main factors determining the failure mode of the concrete filled steel tube columns. According to the differences in scaled distance and explosive quality， concrete filled steel tube columns will exhibit three different failure modes： local crater failure， local crater and overall bending failure， and overall bending failure. Factors such as the cross-sectional form of steel tubes， the ratio of outer diameter to wall thickness， concrete strength， and axial compression ratio all have a certain impact on the degree of failure under specific failure modes. In addition， after being subjected to near-range detonation， the axial and seismic residual bearing capacity of the concrete filled steel tube columns decreased， and the degree of decrease is proportional to the degree of explosion damage. On the basis of summarizing existing literature， this paper provides further research directions for the anti-explosion performance test of concrete filled steel tube columns.

Keywords" near-range detonation， concrete filled steel tubular columns， experimental research， residual bearing capacity

0" 引" 言

鋼管混凝土結構如圖1［1］所示，由薄壁鋼管和填筑其內部空洞中的混凝土組成。鋼管能夠限制混凝土的側向膨脹，從而提高混凝土的強度和塑性，同時，混凝土能夠提高鋼管的截面穩定性，從而改善鋼管的局部屈曲性能［2-3］。

鋼管混凝土結構的另一種形式是雙層鋼管混凝土結構，如圖2［4］所示，其橫截面能夠合理安排材料位置以獲得最佳性能，外層鋼管提供強度和剛度，內層鋼管增強塑性，中間的混凝土提供強度以及局部和整體穩定性［4］。已有研究表明，雙層鋼管混凝土柱具有優良的軸向抗壓［5-6］、抗彎［7-8］、抗扭［9］、抗震［10］、抗沖擊［11-13］和抗火［14-15］性能。同時，與鋼管混凝土柱相比，雙層鋼管混凝土柱具有更好的抗彎剛度［16-17］，雙層鋼管混凝土柱的中空截面能夠顯著降低構件自重，同時具有良好的經濟性［18］。與普通鋼筋混凝土柱相比，雙層鋼管混凝土柱在承受爆炸荷載后損傷較小，可以保存大部分軸向承載力［1，19-21］。

skin steel tube

鑒于鋼管混凝土柱（CFST）（concrete filled steel tube）和雙層鋼管混凝土柱（CFDST）（concrete filled double skin steel tube）的優良性能，以及工程結構面臨的日益嚴峻的極端爆炸荷載作用，國內外學者對CFST柱和CFDST柱進行了廣泛而深入的抗爆試驗研究。研究中采用的試件多為1∶4～1∶2縮比模型［1，22］，試件長度一般為2 000～2 500 mm［19，23-24］；鋼管截面形式多為圓形和方形［2，19，22，25］，其外徑或邊長一般為50～325 mm［18，21，23，26］，壁厚一般為2.8～6 mm［1-2，24-25，27］；內部混凝土有普通混凝土［21，26，28-29］、超高性能混凝土［24，30-31］、超高性能鋼纖維混凝土［19，25，27］、活性粉末混凝土［32］等；炸藥多采用TNT，形狀一般為圓柱形［18，27，30-31］和立方體形［21， 26］，放置位置：豎向一般在柱跨中［2，11，23，30，32］或基礎表面以上250 mm左右［1，18，21-22，27，31］的位置（對應實際結構離地1 m的位置），水平方向與柱表面的比例距離一般為0～0.6 m/kg1/3［2，18-19，21，25-26，30］，其中，0 m/kg1/3對應接觸爆炸；進行試件抗爆試驗時，有的試件沒有施加軸向力［1，24，27，30-32］，有的試件施加了軸向力［2，19，23，25-26，33］。研究內容主要有近距離爆炸作用下試件的破壞特征及其影響因素分析、存在爆炸初始缺陷試件的殘余軸向承載力和殘余抗震承載力分析等。

由于國內外學者對鋼管混凝土柱所進行的近距離爆炸試驗條件不同，得到的結果也不盡相同，甚至差異很大。為了更好地認識鋼管混凝土柱在近距離爆炸荷載作用下的破壞規律，以及更合理地設計鋼管混凝土柱抗爆試驗，需要對這些試驗進行較全面的歸納總結，但目前鮮見這方面的文獻報道。鑒于此，本文對這些試驗研究結果進行了系統的梳理，總結出了不同爆炸條件下鋼管混凝土柱的破壞特征和影響因素，及其殘余承載性能。為便于敘述和對比，本文分鋼管混凝土柱（CFST）和雙層鋼管混凝土柱（CFDST）兩部分進行綜述。

1" 鋼管混凝土柱（CFST）

1.1 CFST柱在近距離爆炸下的破壞特征及影響因素分析

在接觸爆炸情況下，鋼管高性能混凝土柱僅在炸藥接觸位置出現局部凹坑破壞，幾乎沒有整體變形［34， 35］，如圖3［24］所示，凹坑的大小隨炸藥質量的增加而增加［24］。

正面圖和側面圖（單位：mm）

當爆源距離柱表面的比例距離較小（0.1 m/kg1/3～0.2 m/kg1/3），且炸藥量較小（10 kg以內）時，試件表面主要產生局部凹陷變形，和較小的整體殘余變形，如圖4［31］所示。在比例距離基本相同時，TNT質量大的工況會在鋼管表面產生更大的局部凹坑，這是因為相同的比例距離會產生相同的比例沖量，但是，絕對沖量是不同的［30］。爆源在柱跨中位置時，試件的最大撓度是相同質量TNT在距離基礎頂面250 mm位置時的3倍多，但二者局部凹坑變形基本相同；爆源在跨中位置時，試件的整體變形和局部變形均隨TNT質量的增加而顯著增加［31］。

當爆源距離柱表面的比例距離較小（0.1 m/kg1/3～0.2 m/kg1/3），且炸藥量較大（25 kg及以上）時，試件既發生整體塑性彎曲變形，也發生局部凹陷變形，如圖5［27］所示。整體塑性變形基本為線形，試件最大變形出現在爆源高度附近［1］，隨著比例距離的增加，整體和局部變形量均減小［27］。內部混凝土在試件頂部、底部和爆源高度處受拉側有裂縫產生，當鋼管在爆源高度處屈曲失穩時，其在基礎內也發生斷裂，斷裂處混凝土開裂，基礎內出現較大凹坑［1］。對于比例距離為0.1 m/kg1/3的工況，試件在爆源作用高度位置斷成了兩截，如圖6［27］所示。爆源在試件高度方向的位置對其整體變形影響較大，在水平方向的位置對其局部變形影響較大。TNT質量對試件整體變形和局部變形的影響均很大，其中，對整體變形影響更大，例如，試件跨度均為1 900 mm、鋼管外徑均為203 mm、比例距離均為0.14 m/kg1/3、炸藥豎向位置均在試件跨中處，25 kgTNT爆炸后在試件上產生的最大撓度和凹坑深度分別是4 kgTNT對應值的20倍和6.7倍［27， 31］。

當爆源距離程表面的比例距離較大（0.3～0.5 m/kg1/3）時，試件發生整體塑性彎曲變形，如圖7［23］所示，最大變形值出現在爆源所在的柱跨中位置，軸壓比越大、鋼管壁厚越小、炸藥距離柱表面越近、混凝土強度等級越小、炸藥量越大時，塑性撓曲變形越大［23］。鋼管厚度由2.8 mm增加到3.8 mm，圓形和方形截面柱跨中最大撓度分別減少了67%和50%［2］。方形截面試件最大撓曲變形隨炸藥質量的增加情況較圓形截面更明顯。對于方形截面柱，炸藥質量增加12%，跨中最大撓度增加約230%；對于圓形截面柱，炸藥質量增加43%，跨中最大撓度增加約130%，這可能是因為方形截面柱迎爆面受力更大［2］。

活性粉末混凝土具有高強度、低孔隙率等優異性能［36］，但隨著強度的提高其脆性增加，且耐火性差［32］，將其灌入鋼管中形成鋼管活性粉末混凝土結構，能防止其高溫爆裂，充分發揮其優異性能。陳萬祥等［32］對4根大比例ISO-834標準火災后鋼管活性粉末混凝土柱（CFST）進行了近距離爆炸試驗研究，根據國際ISO-834標準對2根柱進行60 min升溫，1根進行105 min升溫的火災試驗，溫度分別達到950 ℃和1 040℃，剩余1根柱進行對比分析。抗爆試驗時，預先施加軸向壓力754 kN，軸壓比為0.24，炸藥在柱跨中位置，距離柱表面1 500 mm，比例距離有0.58 m/kg1/3和0.48 m/kg1/3兩種情況。研究發現，隨著比例距離的減小，柱的變形由彎曲變形向彎剪變形過渡；隨著受火時間的增加，柱跨中最大位移和殘余位移顯著增加；鋼管活性粉煤灰柱的抗爆能力受受火時間的影響大于比例距離。

1.2 受爆炸荷載后CFST柱的殘余承載力分析

在比例距離為0.5 m/kg1/3左右的近距離爆炸荷載作用后，圓形和方形兩種截面的鋼管混凝土柱均表現出了較好的軸向殘余承載力，且3.8 mm厚鋼管的殘余承載力優于2.8 mm厚鋼管［2］。試件在軸向壓力作用下的破壞均為整體彎曲破壞，圓形截面柱未出現局部屈曲破壞，方形截面柱出現了局部屈曲破壞，方形截面柱內部混凝土出現了壓碎和剝落破壞，圓形截面柱內部混凝土在跨中部位斷裂成了3段［2］。

接觸爆炸后對試件進行不施加軸力的橫向低周循環試驗時，存在爆炸凹坑試件的抗震能力與試件的擺放位置有很大關系。如果試件爆炸凹坑面與低周循環荷載作用方向垂直，則試件的承載能力、塑性、剛度和耗能等均較沒有初始缺陷的試件低，且初始爆炸凹坑越大，降低越多；如果試件爆炸凹坑面與低周循環荷載的作用方向平行，則試件的抗震能力與沒有初始缺陷的試件基本相同［24］。

構件承受較小炸藥量（10 kg以內）引起較小比例距離（0.12 m/kg1/3～0.139 m/kg1/3）的爆炸荷載作用后，對其進行不施加軸力的橫向低周循環荷載作用，循環荷載作用方向與試件初始爆炸凹坑面垂直時，所有試件均發生整體彎曲破壞，滯回曲線均飽滿不擰曲，試件前期承受的爆炸荷載越大，循環荷載下的水平承載力、切線剛度和耗能能力越低［31］。

鄒慧輝等［37］在陳萬祥等［32］工作的基礎上進一步研究了鋼管活性混凝土柱的殘余軸向承載力，研究發現殘余軸向承載力對受火時間更為敏感，受火時間105 min承載力下降60%，遭受爆炸作用承載力下降16%，先經歷火災再遭受爆炸作用承載力下降67%。

2" 雙層鋼管混凝土柱（CFDST）

2.1 CFDST在近距離爆炸下的破壞特征及影響因素分析

當爆源距離柱表面的比例距離較小（0.1 m/kg1/3～0.2 m/kg1/3），且炸藥量較小（10 kg以內）時，試件的破壞僅為局部凹陷和斷裂破壞，沒有出現整體彎曲變形［22］，或出現很微小的整體變形［18， 21， 26］，局部凹陷量隨著比例距離的減小和截面空洞率（內管外徑與外管內徑之比）［21］的增加而顯著增加［26］。內部混凝土在外管凹陷處發生了與外管變形一致的變形，在其他位置處基本無變形［18］，對應位置的內管也發生了嚴重的凹陷變形，但凹陷深度小于對應外層鋼管［18］。炸藥的擺放方向對試件所受爆炸沖擊作用的強度和動力響應有較大影響［21-22， 26］，如圖8［26］所示，TNT立方體立放較橫放可以產生更大的局部凹陷，這是因為橫放時，很大一部分爆炸能量沒有被柱反射，而是在柱體周圍衍射，導致柱體上的沖擊波荷載明顯減少。

當爆源距離柱表面的比例距離較小（0.1 m/kg1/3～0.2 m/kg1/3），且炸藥量較大（25 kg及以上）時，試件既有局部凹陷破壞又有整體塑性彎曲變形［4， 28］，跨中撓度最大，柱腳處肋板上緣鋼管迎爆面有一條細微未貫通裂縫產生，凹陷處混凝土被壓碎［28］，內層鋼管的徑厚比Di/ti（外徑與厚度之比）和試件空洞率越大，截面凹陷越嚴重［4］。孫珊珊等［29］進一步研究發現在近距離爆炸情況下，雙層鋼管混凝土柱（CFDST）較單層鋼管混凝土柱（CFST）的殘余變形大42%，說明中空截面形式削弱了普通圓形截面鋼管混凝土的整體剛度，降低了其抵抗變形的能力。但與單層鋼管混凝土柱相比，雙層鋼管混凝土柱的內層鋼管可以防止整個試件被直接剪斷［4， 38］。

當爆源距離柱表面的比例距離較大（0.3 m/kg1/3～0.5 m/kg1/3）時，試件均出現均勻彎曲，未發生鋼管屈服現象，內部混凝土僅出現均勻裂縫，體現了較好的延性［25， 33］。在相同爆炸荷載下，方形截面鋼管混凝土超高強鋼纖維混凝土柱整體抗爆性能優于圓形截面，方形截面最終殘余變形僅為圓形截面的1/4～1/3；雙層方形鋼管空心截面試件與單層方形鋼管實心截面試件的殘余變形接近［33］，但實心截面試件的跨中最大位移是空心截面的1.7倍［25］。等效TNT質量越大，試件側向撓度越大；較小的軸壓比（小于0.3）能夠減少鋼管混凝土柱的側向變形，較大的軸壓比（大于0.6）會增大柱的側向變形值［33， 39］。與填充普通混凝土的雙層鋼管混凝土試件在彎曲荷載作用下發生混凝土壓碎，鋼管屈曲破壞［40-42］不同，填充170 MPa超高性能鋼纖維混凝土的雙層鋼管混凝土柱在爆炸荷載作用下鋼管沒有發生屈曲和局部損壞，混凝土也沒有壓碎，僅在受壓面出現不超過0.5 mm寬的細小裂縫［33］。Zhang等［42］在爆炸試驗中主要記錄了試件的殘余撓度值，發現無論試件截面形狀是圓形還是方形，該殘余撓度值與試件的初始動能無量綱形式λ［43］近似成線性關系，λ越大，殘余撓度值越大。

2.2 受爆炸荷載后CFDST柱的殘余承載力分析

當爆源距離柱表面的比例距離較小（0.1 m/kg1/3～0.2 m/kg1/3），且炸藥量較小（10 kg以內）時，隨著爆炸距離的減小和炸藥量的增大，柱的剩余承載力顯著降低［22，33］。在近距離和接觸爆炸情況下，圓形截面雙層鋼管混凝土柱較方形截面具有更大的剩余承載力和更好的延性［22］，截面空洞率越小，抗爆性能越好，剩余軸向承載力越大［22］。Li等［21］定義了柱殘余承載力指數I為存在爆炸損傷柱的軸向承載力Nr與對應未受損傷柱軸向承載力Nu的比值，其中Nr通過試驗得到，Nu通過Kojiro等［5］給出的公式確定，該公式考慮了內外層鋼管直徑之比對承載力的影響，能夠更準確地給出雙層鋼管混凝土柱的承載力［21］。試件殘余軸向承載力試驗表明，TNT質量、TNT距離柱表面距離、TNT放置方位和試件空洞率均對試件殘余軸向承載力有較大影響，TNT質量越大、TNT距離柱表面越近、截面空洞率越大，以及TNT藥包長邊平行于試件，都會導致試件更低的殘余承載力指數。同時發現，試件殘余承載力指數I隨著局部凹坑深度的增加線性降低［21］。

Gao等［18］對3根底部存在爆炸凹陷的試件進行局部加固，如圖9［18］所示，然后對無初始爆炸凹陷、有初始爆炸凹陷和對爆炸凹陷進行局部加固的三類試件進行了低周循環荷載試驗。試驗結果表明，無論是否承受過爆炸荷載，試件均在塑性鉸處發生局部屈曲破壞。對于存在初始爆炸凹陷且未加固的試件，初始爆炸凹陷越大，在凹陷區域出現消耗滯回能量塑性鉸的可能性越大；對于存在初始爆炸凹陷且加固過的試件，由于加固鋼管與基礎底板的焊縫在循環荷載的作用下過早斷裂，因此，未能得到合理的結果；總體來說，在低周循環荷載作用下，試件的側向承載力、初始剛度和耗能能力均隨爆炸初始凹陷的增加而降低。在循環彎曲荷載作用下，雙層鋼管混凝土試件較單層鋼管混凝土試件具有更大的抗彎承載力和更好的延性［44］。

當爆源距離柱表面的比例距離較大（0.3 m/kg1/3～0.5 m/kg1/3）時，Zhang等［42］引入了損傷指數［45］ξ來評價承受近距離爆炸荷載作用后柱的損傷情況或試件殘余承載力的大小。ξ在0～1之間，該值越小，試件損傷越小或殘余承載力越大，所有爆炸受損試件的ξ值均在0.4以內，說明近距離爆炸只對柱產生較小的損傷，柱仍具備較大的承載力。TNT質量越大，試件截面空洞率越大，爆炸試驗時施加的軸向力越大，損傷指數越大，即試件的殘余承載力越小［19］。對于圓形截面柱，當損傷指數ξ小于0.3時，試件在跨中截面處發生局部屈曲破壞，當損傷指數ξ大于0.3時，試件在跨中截面處發生鋼管斷裂破壞；對于方形截面柱，均為跨中或支座處的局部屈曲破壞［19］。

3" 結語與展望

本文對鋼管混凝土柱抗爆性能試驗進行了系統的歸納總結，發現這類試驗基本都是近距離爆炸和接觸爆炸試驗，爆源距離柱表面的比例距離在0.5 m/kg1/3之內。鋼管混凝土柱和雙層鋼管混凝土柱在爆炸荷載下的破壞特征與比例距離和TNT質量關系很大，當比例距離較小（0.2 m/kg1/3之內），且炸藥量較小（10 kg以內）時，主要出現局部凹陷破壞，整體彎曲變形很小；當比例距離較小（0.1 m/kg1/3～0.2 m/kg1/3），且炸藥量較大（25 kg及以上）時，既出現局部凹陷破壞又有整體塑性彎曲變形；當比例距離較大（0.3 m/kg1/3～0.5 m/kg1/3）時，僅出現整體彎曲變形，且未發生鋼管屈服現象。存在初始爆炸缺陷的鋼管混凝土柱和雙層鋼管混凝土柱的殘余軸向承載力和殘余抗震承載力均有不同程度的降低，降低幅度與初始缺陷大小呈正比。

鋼管外徑大小對鋼管混凝土柱在近距離爆炸荷載作用下的破壞特征影響情況，以及鋼管混凝土柱遭受近距離爆炸荷載作用存在初始缺陷后，如何對其進行加固，及加固后其殘余承載力如何都有待進一步研究。

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