側(cè)向沖擊下中空箱形鋼管混凝土疊合柱動(dòng)力響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)與有限元分析

賈志路，王 蕊

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

近些年來(lái)，世界橋梁工程發(fā)展迅速，尤其在我國(guó)的地勢(shì)險(xiǎn)峻山區(qū)，在城市高速連接之間以及在廣闊的海面上，建成了一批結(jié)構(gòu)新穎、技術(shù)復(fù)雜、技術(shù)含量高的中空箱形鋼管混凝土疊合柱高墩橋梁。

中空箱形鋼管混凝土疊合柱具有自重輕、承載力高、延性好以及耐火性能好等優(yōu)點(diǎn)[1-2]，在大跨和(超)高層建筑的豎向承重結(jié)構(gòu)中有廣泛的使用前景，此類結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，將造成重大的人員和財(cái)產(chǎn)損傷。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要集中于鋼管混凝土疊合柱靜力、抗震以及火災(zāi)方面的研究，趙均海等[3]對(duì)方形高強(qiáng)鋼管混凝土疊合柱軸壓極限承載力進(jìn)行了分析，提出了方形高強(qiáng)鋼管混凝土疊合柱的一種新的軸壓極限承載力計(jì)算方法；康洪震等[4-5]進(jìn)行了鋼管混凝土疊合柱的軸壓試驗(yàn)和純彎試驗(yàn)，結(jié)果表明鋼管混凝土疊合柱的軸壓強(qiáng)度可由鋼管混凝土強(qiáng)度和管外鋼筋混凝土強(qiáng)度疊合而成，以及疊合柱的彎曲-曲率關(guān)系可簡(jiǎn)化為三折線，給出了疊合柱強(qiáng)度計(jì)算公式和彎曲剛度表示的三折線方程；郭全全等[6]對(duì)長(zhǎng)細(xì)比為4.67的13個(gè)鋼管混凝土疊合柱試件進(jìn)行偏心受壓試驗(yàn)，研究了柱正截面承載力隨偏心距、鋼管位置系數(shù)、縱筋配筋率等參數(shù)變化的規(guī)律；曹萬(wàn)林等[7-8]進(jìn)行了多個(gè)不同構(gòu)造尺寸的矩形截面鋼管混凝土疊合柱模型的抗震實(shí)驗(yàn)和模擬分析，提出了底部加強(qiáng)型矩形截面鋼管混凝土疊合柱正截面及斜截面承載力計(jì)算公式，同時(shí)證明了底部加強(qiáng)型矩形截面鋼管混凝土疊合柱與普通矩形截面鋼管混凝土疊合柱相比，承載力、延性和抗震耗能能力顯著提高；侯舒蘭等[9-10]通過(guò)有限元分析了鋼管混凝土疊合柱在火災(zāi)下的耐火性研究，研究表明高溫下外圍混凝土的強(qiáng)度下降，鋼管承擔(dān)大部分荷載，在升、降溫火災(zāi)下鋼管混凝土疊合柱發(fā)生了內(nèi)力重分布；徐蕾等[11]進(jìn)行了鋼管混凝土疊合柱試件的耐火極限試驗(yàn)以及有限元分析，提出鋼管混凝土疊合柱耐火極限的實(shí)用計(jì)算式。

我國(guó)已頒布的《鋼管混凝土疊合柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》對(duì)一般截面疊合柱設(shè)計(jì)起到了良好了指導(dǎo)作用，但還缺乏在強(qiáng)動(dòng)力荷載作用下中空截面結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)研究。諸如地震、爆炸、沖擊等引發(fā)的沖擊強(qiáng)動(dòng)荷載，已成為不可忽略的設(shè)計(jì)工況。為此，本文以中空箱形疊合柱為研究對(duì)象，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了三種邊界條件、兩種沖擊高度和軸壓比對(duì)沖擊力時(shí)程、跨中位移的影響以及有限元模型分析了各組件內(nèi)能分配，而對(duì)進(jìn)一步的機(jī)理分析將在后續(xù)文章中給予討論。

1 實(shí)驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了9根相同的箱形疊合柱，每根質(zhì)量742.0 kg，試件長(zhǎng)1 800.0 mm，凈跨1 200.0 mm，截面尺寸400 mm×400 mm，箍筋在支座處為φ7.7@50 mm，在中間部分為φ7.7@100 mm，上、下層各設(shè)置3φ15.6 mm的縱筋，中間設(shè)2根直徑15.6 mm縱筋；試件兩端蓋板厚20.0 mm，套管壁厚2 mm，蓋板和套管是為了防止支座對(duì)混凝土的破壞影響，墊板槽(原設(shè)計(jì)方案為放鋼板所需，但實(shí)際操作時(shí)落錘截面增大，墊板槽沒(méi)用)深5.0 mm，寬100 mm，試件具體尺寸及配筋如圖1(a)；試件截面如圖1(b)，鋼筋保護(hù)層厚度為20 mm，箍筋角端為4根鋼管混凝土，鋼管混凝土中心距試件外邊緣為80 mm，截面中心為空八邊形鋼管。

對(duì)于邊界條件有：固支時(shí)箱形疊合柱兩端支座分別由兩根矩形鋼梁夾緊如圖2(b)，軸壓時(shí)一端固定，一端在支座與試件之間放滑動(dòng)板，以利于軸壓與沖擊過(guò)程中試件產(chǎn)生伸縮，簡(jiǎn)支時(shí)將上部鋼梁升起即可。各試件軸向、沖擊荷載參數(shù)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1。

(a) 正面圖(b) A-A

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.1 The test results

1.2 試件材料

內(nèi)埋鋼管采用低碳鋼，鋼筋采用HRB400，八邊形鋼管采用Q345，材料力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上按照《金屬材料室溫拉伸實(shí)驗(yàn)方法》(GB/T 228—2002)進(jìn)行，結(jié)果如表2，混凝土由商品混凝土廠配制生成，為了確定試件加載時(shí)鋼管內(nèi)外混凝土的實(shí)際強(qiáng)度，同時(shí)制作了標(biāo)準(zhǔn)立方體(150 mm×150 mm×150 mm)混凝土試塊，測(cè)得鋼管內(nèi)外混凝土立方體抗壓強(qiáng)度分別為71.5 MPa和62.6 MPa。其中：D為鋼管外徑，t為各材料厚度，fy為屈服強(qiáng)度，fu為抗拉強(qiáng)度。

表2 試件材料幾何尺寸和性能Tab.2 Dimension and properties of specimens

1.3 實(shí)驗(yàn)加載

實(shí)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。落錘試驗(yàn)機(jī)主要由外圍鋼架、電葫蘆吊機(jī)、脫鉤器、錘體、錘頭、落錘防護(hù)裝置和軸力加載系統(tǒng)等組成，沖擊力傳感器安裝在錘頭中部，與錘體共同組成落錘。落錘尺寸如表3。軸力加載系統(tǒng)如圖2(c)，每20片碟簧對(duì)合一次，一共60片，另外制作8片厚碟簧片，以便施加軸力時(shí)可以將軸力有效作用在試件上，軸力由連接在碟簧與試件之間的傳感器確定，通過(guò)彈簧碟儲(chǔ)存的彈性勢(shì)能可有效解決在沖擊過(guò)程中由于試件撓度的產(chǎn)生，使試件沿軸向方向迅速縮短，導(dǎo)致軸向力瞬間消失的情況[12]。

(a)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

(b)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng) (c)彈簧碟

表3 落錘參數(shù)Tab.3 Parameters of drop-weight

1.4 實(shí)驗(yàn)量測(cè)

實(shí)驗(yàn)中記錄了沖擊力和跨中側(cè)向位移的時(shí)程曲線。其中，沖擊力時(shí)程曲線由固定在錘頭中部的力傳感器記錄，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用NIPXIe-1006Q，通過(guò) LabView Signal Express 軟件進(jìn)行采集；跨中側(cè)向位移時(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幀/s。軸向力則通過(guò)在碟簧組與試件之間的軸力傳感器記錄。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

以試件FF-5為例，圖3給出了沖擊高度為5 m時(shí)，高速攝像機(jī)下箱形疊合柱在側(cè)向沖擊時(shí)的典型動(dòng)態(tài)過(guò)程(為便于展示裂縫，部分裂縫進(jìn)行了手繪)。可以看到隨著時(shí)間的變化：①t=0 ms時(shí)，落錘到達(dá)試件上方，試件處于靜止；②t=1.5 ms時(shí)，落錘與試件剛好接觸，未產(chǎn)生裂縫；③t=1.8 ms時(shí)，試件跨中產(chǎn)生裂縫，并沿縱向與橫向同時(shí)發(fā)生；④t=4.8 ms時(shí)，裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展，底部外層混凝土有脫落跡象；⑤t=9.0 ms時(shí)，跨中位移達(dá)到最大；⑥t=13.3 ms時(shí)，外層底部混凝土脫落明顯，同時(shí)落錘回彈速度開(kāi)始大于試件速度；⑦t=16.0 ms時(shí)，試件回彈至平衡位置上方最大值；⑧t=20.0 ms時(shí)，試件達(dá)到平衡位置，基本靜止。

2.2 沖擊力時(shí)程曲線

圖4給出了沖擊力F-t時(shí)程曲線，由圖可以看出，隨著沖擊高度的增加，沖擊力時(shí)程曲線經(jīng)歷了不同的階段。對(duì)沖擊高度為2 m的試件，F(xiàn)-t時(shí)程曲線經(jīng)歷了2個(gè)階段：峰值階段(0～3.8 ms)，在t=2.5 ms時(shí)，落錘以較大速度接觸試件的瞬間，沖擊力迅速達(dá)到峰值，同時(shí)試件也獲得了較大的速度，隨后二者向下移動(dòng)；衰減階段(3.8～15 ms)，t=8.5 ms時(shí)，試件與落錘達(dá)到最低點(diǎn)，在此過(guò)程中外部的混凝土吸收了大部分能量，之后沖擊力迅速衰減，t=15 ms時(shí)由于落錘與試件分離沖擊力降為零。對(duì)沖擊高度為5 m的試件，F(xiàn)-t時(shí)程曲線則經(jīng)歷了三個(gè)階段：沖擊力峰值階段(0～5 ms)落錘與試件接觸瞬間，試件的沖擊力迅速達(dá)到峰值，然后又迅速衰減；沖擊力平臺(tái)階段(5～10.8 ms)試件在經(jīng)歷一定震蕩后，沖擊力穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，除部分能量由外混凝土吸收外，內(nèi)埋的鋼管混凝土也發(fā)揮了作用，從而使得沖擊力穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)并持續(xù)了一段時(shí)間，同時(shí)剩余的沖擊能主要耗散在該階段；沖擊力衰減階段(10.8～20 ms)沖擊力衰減至零。

(a) t=0 ms(b) t=1.5 ms(c) t=1.8 ms(d) t=4.8 ms(e) t=9.0 ms(f) t=13.3 ms(g) t=16.0 ms(h) t=20.0 ms

另外，由圖4(a)、4(c)、4(e)可知，沖擊高度相同時(shí)，不同邊界條件下的沖擊力時(shí)程曲線的趨勢(shì)基本一致，如沖擊高度為2 m的試件FF-2、FS-2、SS-2。同時(shí)由圖4(g)、4(h)、4(i)可知，在軸壓比為0.1、0.2時(shí)，施加軸力與否不影響沖擊力時(shí)程曲線的變化趨勢(shì)。由表1及圖4可得，沖擊力峰值具有離散性，它不隨邊界條件的變化或沖擊能量的增大有顯著的規(guī)律性變化。

2.3 位移時(shí)程曲線

圖5為跨中位移Δ-t時(shí)程曲線，圖6為同一沖擊能量時(shí)不同邊界條件對(duì)跨中最大位移的影響。由圖5(a)、5(b)、5(c)及表1可知，隨沖擊能量增大，跨中位移相應(yīng)增大，對(duì)沖擊高度為5 m的試件SS-5較2 m的試件SS-2，跨中最大位移增大了1.2倍，殘余位移也相應(yīng)增大。當(dāng)沖擊高度相同時(shí)，不同邊界條件下試件的最大位移也有細(xì)微差異，說(shuō)明邊界約束條件對(duì)試件最大位移也有影響，由圖6可以看出：兩端簡(jiǎn)支與兩端固定相比，當(dāng)高度為2 m時(shí)，試件SS-2較試件FF-2相比跨中最大位移增大4%；當(dāng)高度為5 m時(shí)，試件SS-5較試件FF-5跨中最大位移增大11%，這與文獻(xiàn)[13]中對(duì)鋼管混凝土在不同邊界條件時(shí)跨中最大位移研究結(jié)果類似；而對(duì)殘余位移，簡(jiǎn)支時(shí)試件在沖擊過(guò)程中整體反彈，高速攝像機(jī)捕捉點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生誤差，使得殘余位移記錄偏小，但從整體趨勢(shì)分析，2 m高度時(shí)試件基本為彈性變形，5 m時(shí)為彈塑性變形。另外，對(duì)圖5(b)中試件FF-5和圖5(c)中試件A1-5、A2-5位移時(shí)程曲線對(duì)比可知，在施加了軸力后最大位移和殘余位移與不加軸力時(shí)相比變化很小，說(shuō)明軸壓比為0.1、0.2對(duì)箱形疊合柱的跨中位移影響較小。

(a)FF-2

(b)FF-5

(c)FS-2

(d)FS-5

(e)SS-2

(f)SS-5

(g)A2-2

(h)A2-5

(i)A1-5

(a)沖擊高度2 m

(b)沖擊高度5 m

(c)施加軸力

圖6 邊界條件對(duì)跨中最大位移的影響Fig.6 Influence of boundary conditions on maximum deformation

3 有限元模型的建立

3.1 模型描述

為進(jìn)一步了解箱形疊合柱在沖擊荷載下的性能，基于ANSYS/LS-DYNA有限元軟件，主要對(duì)兩端固定箱形疊合柱在5 m沖擊高度時(shí)情況進(jìn)行了有限元模型驗(yàn)證，其中鋼管和內(nèi)外混凝土采用8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元(solid164)，鋼筋采用桿單元(link160)，為記錄沖擊力落錘錘頭同樣采用實(shí)體單元(solid164)。支座簡(jiǎn)化為圖7(a)所示，通過(guò)中空矩形夾住試件，接觸面設(shè)為面面接觸。模擬過(guò)程中，通過(guò)分析知還原落錘真實(shí)尺寸結(jié)果更加準(zhǔn)確；不考慮鋼筋、鋼管與混凝土的滑移[14]，網(wǎng)格劃分模型如圖7，試件單元尺寸為10 mm。

3.2 材料模型

(a)試件網(wǎng)格

(b)鋼筋模型

鋼管、鋼板、縱筋和箍筋、落錘錘頭均采用隨動(dòng)強(qiáng)化雙線性彈塑性模型(MAT_PLASTIC_KINEMATIC)，其應(yīng)變率通過(guò)Cowper-Symonds 模型考慮[15]。落錘錘體及支座采用剛性材料(MAT_RIGID)。

3.3 有限元模型驗(yàn)證

如表4，其中：H為落錘沖擊高度，E0為沖擊能量(即落錘自由落體的重力勢(shì)能)，F(xiàn)stab為沖擊力平臺(tái)值，

Δ為試件跨中截面最大位移，Ratio為模擬值與實(shí)驗(yàn)值的比值。

表4 結(jié)果信息表Tab.4 The information of the results

圖8和圖9分別給出了實(shí)驗(yàn)與模擬的沖擊力時(shí)程曲線和側(cè)向跨中位移時(shí)程曲線，由表4及圖8可以看出，實(shí)驗(yàn)較模擬的沖擊力曲線，存在較多波動(dòng)，如FF工況下的第二個(gè)峰值，是因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)過(guò)程中，落錘質(zhì)量過(guò)大，沖擊過(guò)程中產(chǎn)生振蕩以及電信號(hào)受到擾動(dòng)所致，但其整體趨勢(shì)較為吻合，沖擊力在沖擊后迅速達(dá)到峰值之后的一段時(shí)間內(nèi)所形成的的平臺(tái)值與模擬平臺(tái)值比值基本保持在1.0左右；并且從圖9進(jìn)一步看出，在FF和SS邊界條件下，側(cè)向位移峰值之前計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，只是下降段具有一定的誤差。該誤差主要源自于數(shù)值模擬中錘體的剛性假設(shè)、材料變形的零熱耗散假設(shè)以及理想化的約束邊界條件，模型的這些簡(jiǎn)化忽略了撞擊體的變形能和構(gòu)件的變形產(chǎn)生的熱能，導(dǎo)致模擬的構(gòu)件產(chǎn)生更多的變形來(lái)消耗撞擊體的動(dòng)能，從而低估了構(gòu)件的回彈變形；但從整體效果看模型能夠較好的模擬箱形疊合柱的沖擊響應(yīng)。

(a)FF

(b)SS

3.4 內(nèi)能分布

沖擊能量為56.3 kJ時(shí)，兩端固支和兩端簡(jiǎn)支箱形疊合柱在沖擊荷載下，內(nèi)部各組件的內(nèi)能隨時(shí)間變化曲線如圖10，各組件內(nèi)能分配如圖11。由圖10可知，不同邊界條件對(duì)各組件吸收能量無(wú)影響；其中：A表示鋼管內(nèi)混凝土，B表示鋼管，C表示鋼管外混凝土，D表示八邊形鋼管，E和F分別表示縱筋和箍筋。通過(guò)分析，沖擊能量較大時(shí)由圖11知，外部混凝土吸收的沖擊能量占總內(nèi)能的43%，其次是鋼管混凝土共占31%，其余占26%，因此，外部混凝土與鋼管混凝土共同作用抵抗沖擊，有效提高了疊合柱的抗沖擊能力。

4 結(jié) 論

在本次實(shí)驗(yàn)研究范圍內(nèi)，得出如下主要結(jié)論：

(1)在不同的沖擊能量作用下，沖擊力時(shí)程曲線表現(xiàn)出不同的階段。當(dāng)沖擊高度為2 m時(shí)，沖擊能量大部分被外層的鋼筋混凝土所吸收，此時(shí)沖擊力時(shí)程曲線可分為兩個(gè)階段，峰值階段及衰減階段；當(dāng)沖擊高度為5 m時(shí)，內(nèi)部鋼管混凝土也將吸收更多能量，從而沖擊力時(shí)程曲線類似鋼管混凝土，分為三段式，即峰值階段，穩(wěn)定階段和衰減階段。

(2)隨著沖擊高度的增大，邊界條件的影響更加明顯。兩端簡(jiǎn)支與兩端固定相比，高度從2 m升到5 m時(shí)，位移由增大4%變?yōu)?1%，表明兩端固定疊合柱與兩端簡(jiǎn)支疊合柱相比具有更好的抗變形能力。

(3)沖擊高度為2 m時(shí)試件為彈性變形，沖擊高度為5 m時(shí)試件表現(xiàn)為彈塑性變形。

(a)FF

(b)SS

圖11 內(nèi)能分配圖Fig.11 Internal energy distribution diagram

(4)在軸壓比為0.2時(shí)，軸力對(duì)箱形疊合柱的影響不大，沖擊力時(shí)程和殘余變形都與不加軸力的工況類似。

(5)基于實(shí)驗(yàn)建立的有限元模型能鉸好的模擬箱形疊合柱在落錘沖擊實(shí)驗(yàn)中的力學(xué)性能；而且在沖擊能量較大時(shí)箱形疊合柱各組件內(nèi)能分配合理，內(nèi)部鋼管混凝土的抗沖擊作用明顯。