鋼管混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件在軸向沖擊下的變形研究

劉三梅

(山西四建集團(tuán)有限公司，山西太原 030024)

0 引言

鋼管混凝土是指在鋼管中填充混凝土，利用混凝土材料與鋼管材料在受力過程中的相互作用形成的一種結(jié)構(gòu)構(gòu)件。在這種結(jié)構(gòu)構(gòu)件中，鋼管對混凝土產(chǎn)生約束作用，同時(shí)，混凝土的存在保證了薄壁鋼管的局部穩(wěn)定，使其承載力得到充分發(fā)揮。另一方面，在施工過程中，鋼管可以充當(dāng)核心混凝土模板的作用，與鋼筋混凝土相比，提高了施工效率，并節(jié)省費(fèi)用。鋼管混凝土構(gòu)件以其承載力高、塑性和韌性好、施工方便、耐火性好及經(jīng)濟(jì)效益好等一系列優(yōu)點(diǎn)被大范圍推廣應(yīng)用到工程建設(shè)當(dāng)中。如西雅圖58層的Two Union Square大廈和Pacific First Center大廈、澳大利亞墨爾本的Casselden Place Project等建筑均采用了鋼管混凝土構(gòu)件。我國于20世紀(jì)60年代開始研究鋼管混凝土，并將其應(yīng)用于各類建筑結(jié)構(gòu)。如武漢71層的國際證券大廈采用了矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，深圳76層的賽格廣場大廈采用了圓鋼管混凝土。

與其他建筑結(jié)構(gòu)材料一樣，鋼管混凝土作為建筑結(jié)構(gòu)的梁、柱等主要承重構(gòu)件，在使用過程中，也面臨著遭受意外碰撞的風(fēng)險(xiǎn)。一旦遭受爆炸、撞擊等沖擊破壞，將造成極大的經(jīng)濟(jì)損失和社會影響，因此，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在沖擊荷載作用下的承載力問題引起了高度關(guān)注。本文通過對不同含鋼率的鋼管混凝土短柱進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，研究其在沖擊荷載作用下，試件軸向、徑向變形與沖擊能量的關(guān)系。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)設(shè)備及試件的制作

本試驗(yàn)針對9根直徑152 mm、柱高500 mm、壁厚t分別為3.5 mm，3.8 mm和4.2 mm的三種鋼管混凝土短柱，利用沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了軸向沖擊試驗(yàn)。本試驗(yàn)取錘重為220 kg的落錘自試驗(yàn)機(jī)上端呈自由落體下落，由不同的沖擊高度獲得滿足試驗(yàn)要求的不同的沖擊能量。

試驗(yàn)用鋼管混凝土軸壓短柱核心混凝土強(qiáng)度不變，鋼管的直徑相同，只改變鋼管的厚度，即改變構(gòu)件的含鋼率。試件用鋼管為Q235號低碳鋼管，測得混凝土軸心抗壓強(qiáng)度為fc=48.2 MPa。試件幾何尺寸及所用材料的性質(zhì)見表1。

表1 試件幾何尺寸及使用材料性質(zhì)

1.2 試件的測點(diǎn)位置及測量參數(shù)

試件的測點(diǎn)位置布置為:在距試件的上下端各100 cm處及中間部位布置電阻應(yīng)變片，以實(shí)現(xiàn)鋼管混凝土縱、橫向應(yīng)變的測定;通過位移計(jì)來測定試件在試驗(yàn)過程中的縱向變形。用鋼針劃分出縱橫網(wǎng)格以更好地觀察試件在試驗(yàn)過程中的變形情況，現(xiàn)場布置見圖1。

圖1 現(xiàn)場布置圖

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 縱向最大變形及試件破壞形態(tài)

表2為不同的落錘下落高度下不同壁厚鋼管混凝土短柱軸向沖擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果，圖2分別為落錘在9 m，12 m下落高度構(gòu)件的變形情況。試驗(yàn)中觀察到，在沖擊能量較小時(shí)，試件沒有明顯的變形。隨著下落高度的增加，沖擊能量增大，試件發(fā)生了不同程度的剪切變形?？梢钥闯觯S著沖擊能量的增加，相同壁厚的鋼管混凝土試件，其軸向及環(huán)向變形隨下落高度的增加而增大;不同壁厚相同沖擊能量下的鋼管混凝土試件，壁厚大的試件變形小于壁厚小的試件。

表2 試件編號和試驗(yàn)結(jié)果

2.2 各試件應(yīng)變分布

圖3為沖擊速度10.84 m/s情況下三種壁厚試件中部的軸向、徑向應(yīng)變時(shí)程曲線;圖4為套箍系數(shù)與殘余應(yīng)變的關(guān)系。通過分析以上數(shù)據(jù)可以看出:在大部分試件的三個(gè)測點(diǎn)中，其中部的峰值應(yīng)變和殘余應(yīng)變均大于頂部、底部應(yīng)變的測量值;縱向應(yīng)變略大于徑向應(yīng)變;隨著套箍系數(shù)的增加，其相應(yīng)的應(yīng)變值減小;當(dāng)應(yīng)變值大于3 000 με后，截面屈服，產(chǎn)生較明顯的殘余應(yīng)變。而應(yīng)變值在較小的情況下，試件處于彈性變形狀態(tài)，殘余應(yīng)變值很小。

圖2 不同沖擊能量下的變形

圖3 沖擊速度10.84 m/s情況下應(yīng)變時(shí)程曲線

圖4 套箍系數(shù)與殘余應(yīng)變的關(guān)系

3 結(jié)語

1)鋼管混凝土試件在軸向沖擊作用下，出現(xiàn)不同程度的壓縮變形，隨作用力的增加，混凝土沿45°方向發(fā)生剪切破壞。

2)相同壁厚的鋼管混凝土構(gòu)件，隨著錘體下落高度的增加即沖擊能量的增加，構(gòu)件的軸向、徑向變形增加;相同沖擊能量下，套箍系數(shù)小的構(gòu)件其變形較大。

3)由于鋼管與混凝土相互約束改善了材料的力學(xué)性能，因此鋼管混凝土構(gòu)件具有良好的延性和抗沖擊性能。套箍系數(shù)越大，構(gòu)件的抗沖擊性能越好。