鋼骨混凝土構(gòu)件抗沖擊性能試驗(yàn)研究*

朱 翔，劉 宏，陸新征，王 蕊

（1. 東南大學(xué)混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210018；2. 山西大學(xué)土木工程系，山西 太原 030013；3. 清華大學(xué)土木工程安全與耐久教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室，北京 100084；4. 太原理工大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，山西 太原 030024）

鋼骨混凝土構(gòu)件具有承載力高、剛度大和延性好的特點(diǎn)，其抗震性能和抗火性能也較好[1]。因此，鋼骨混凝土構(gòu)件在高層結(jié)構(gòu)、超高層結(jié)構(gòu)和大跨空間結(jié)構(gòu)等建筑中廣泛使用。葉列平等[2]最早研究了鋼骨混凝土柱的軸壓比限值問題并進(jìn)行了大量的靜力試驗(yàn)研究。周穎等[3]對不同含鋼率的鋼骨混凝土連梁聯(lián)肢剪力墻的抗震性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。蔣晶[4]利用有限元軟件ABAQUS 對T 形截面的異形鋼骨混凝土柱側(cè)向撞擊性能進(jìn)行了分析。張玲[5]對鋼骨混凝土橋墩抗沖擊性能進(jìn)行了初步研究，對三根角鋼混凝土橋墩和兩根槽鋼混凝土橋墩進(jìn)行了抗沖擊試驗(yàn)。朱翔等[6]利用有限元軟件MSC.Marc 對結(jié)構(gòu)中所使用的鋼骨混凝土柱進(jìn)行了抗沖擊性能分析。以上研究表明鋼骨混凝土構(gòu)件的力學(xué)性能被廣泛關(guān)注。

鋼骨混凝土構(gòu)件作為主要的承重構(gòu)件在服役期間可能遭到汽車、火車和船舶等交通工具的撞擊[7-9]，從而導(dǎo)致其損傷或者破壞。而現(xiàn)階段國內(nèi)外研究者對構(gòu)件的抗沖擊試驗(yàn)研究主要集中于鋼管混凝土構(gòu)件、鋼筋混凝土構(gòu)件和鋼骨混凝土橋墩等。Yousuf 等[10]對比研究了空心不銹鋼鋼管和不銹鋼鋼管混凝土柱的抗沖擊性能。Han 等[11]研究了側(cè)向撞擊作用下鋼管混凝土柱的抗沖擊性能。朱翔等[12-13]對比研究了鋼筋混凝土柱、外包鋼管加固RC 柱和新型截面復(fù)合柱的抗沖擊性能。但是，鋼骨混凝土的沖擊破壞模式與鋼管混凝土構(gòu)件和鋼筋混凝土構(gòu)件都有所不同，需要深入研究對比。張南等[14]、陳佳佳等[15]最早對鋼骨混凝土橋墩進(jìn)行了水平撞擊試驗(yàn)，分析了其抗沖擊性能，但對比試件較少，不具有普遍性。上述研究中對建筑結(jié)構(gòu)中常用的鋼骨混凝土構(gòu)件抗沖擊試驗(yàn)研究較少，而鋼骨混凝土構(gòu)件作為建筑結(jié)構(gòu)中主要的承重構(gòu)件其抗沖擊性能試驗(yàn)研究是十分必要的。

因此，本文采用落錘試驗(yàn)機(jī)對鋼骨混凝土構(gòu)件進(jìn)行側(cè)向撞擊試驗(yàn)，通過變化沖擊速度、軸壓比和邊界條件等參數(shù)對鋼骨混凝土構(gòu)件的抗沖擊性能進(jìn)行了深入研究，進(jìn)而對比分析了不同參數(shù)影響下鋼骨混凝土構(gòu)件的抗沖擊性能，從而全面掌握鋼骨混凝土構(gòu)件的抗沖擊性能。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了8 根完全相同的鋼骨混凝土試件進(jìn)行對比分析其抗沖擊性能，試件信息如表1 所示。試件長度為1 800 mm，左側(cè)支座固定試件長度為225 mm，右側(cè)支座固定試件長度為350 mm，預(yù)留25 mm 為自由端施加軸力，則有效長度為1 200 mm。本次試驗(yàn)中鋼骨混凝土試件截面尺寸設(shè)計(jì)為300 mm×300 mm。試件的內(nèi)配十字型鋼截面尺寸為200 mm×100 mm×9 mm×6 mm，縱筋直徑12 mm，箍筋在支座加密區(qū)配置 ? 8@50，跨中配置為 ? 8@100，混凝土保護(hù)層厚度為20 mm。型鋼采用Q345 低碳鋼，縱筋采用HRB335 級鋼筋，箍筋采用HPB300 級鋼筋，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級為C40。試件左右兩側(cè)的鋼蓋板厚度為20 mm，以防止試件加載軸力時(shí)混凝土局部破壞。鋼骨混凝土試件設(shè)計(jì)詳圖如圖1 所示。

表 1 鋼骨混凝土試件信息及試驗(yàn)結(jié)果Table 1 SRC specimen information and test results

圖 1 鋼骨混凝土試件設(shè)計(jì)詳圖（單位：mm）Fig. 1 Design details of SRC specimen (unit: mm)

1.2 材料力學(xué)性能

每個(gè)鋼骨混凝土試件進(jìn)行澆筑的同時(shí)預(yù)留3 個(gè)150 mm×150 mm×150 mm 的標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊，在進(jìn)行鋼骨混凝土抗沖擊試驗(yàn)的同時(shí)測得混凝土立方體抗壓強(qiáng)度為44.84 MPa。采用標(biāo)準(zhǔn)拉伸試驗(yàn)方法，測得鋼骨混凝土構(gòu)件所用H 型鋼和鋼筋的相關(guān)力學(xué)性能參數(shù)，如表2 所示。

表 2 鋼材的力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of the steel

1.3 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在超重型落錘試驗(yàn)機(jī)上完成，試驗(yàn)裝置如圖2 所示。該試驗(yàn)機(jī)有效高度為5 m，相應(yīng)沖擊速度為9.9 m/s，落錘總質(zhì)量可達(dá)到1.16 t，為國內(nèi)外同類落錘試驗(yàn)裝置中最重落錘質(zhì)量。本次試驗(yàn)最大沖擊速度為9.39 m/s，這是根據(jù)文獻(xiàn)[16]中列車脫軌后側(cè)向撞擊站房柱的橫向撞擊速度確定的。試驗(yàn)中落錘總質(zhì)量恒定為1 158.7 kg（約為1.16 t），錘頭底部為長方體（300 mm×300 mm×200 mm），錘頭底部與試件沖擊接觸面為300 mm×300 mm 的正方形，具體尺寸見表3 和圖3。沖擊位置為試件有效長度的中點(diǎn)處。運(yùn)用高速攝影采集跨中的撓度時(shí)程曲線，采集速度為3 000 幀/秒。軸力通過200 t 液壓千斤頂首先施加在蝶形彈簧上，再通過蝶形彈簧施加到試件上。蝶形彈簧在試件遭受沖擊的過程中可以通過儲存的彈性勢能使軸力一直加載在試件上。

圖 2 超重型落錘試驗(yàn)裝置Fig. 2 Super heavy drop weight test equipment

圖 3 落錘示意圖（單位：mm）Fig. 3 Illustration of drop weight (unit: mm)

表 3 落錘具體尺寸Table 3 Specific size of drop weight

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 沖擊過程

通過高速攝影對鋼骨混凝土柱的沖擊全過程進(jìn)行追蹤，掌握落錘沖擊鋼骨混凝土柱的各個(gè)過程。以試件SRC6 為例，沖擊全過程如圖4 所示。落錘沖擊試件前試件SRC6 在軸力和支座約束下保持靜止?fàn)顟B(tài)（圖4（a）），而后落錘下落，試件與落錘瞬間接觸（圖4（b））。在超重型落錘的巨大沖擊能量作用下試件同時(shí)出現(xiàn)剪切斜裂縫和彎曲裂縫（圖4（c）），落錘和試件一起向下運(yùn)動，直到試件達(dá)到一定變形量時(shí)試件和落錘發(fā)生反彈（圖4（d）），試件的反彈量較小，而落錘反彈位移較大（圖4（e））。最后落錘反彈與防撞護(hù)欄接觸后緩慢落下后與試件最終靜止（圖4（f））。

圖 4 試件SRC6 沖擊全過程Fig. 4 Impact process for SRC6

2.2 沖擊力

沖擊力時(shí)程曲線如圖5 所示。由圖5 可知，較大截面尺寸的鋼骨混凝土試件在超重型落錘沖擊下造成的沖擊力峰值都較大；而沖擊力平臺值相對于沖擊力峰值衰減了很多，這是由于外側(cè)混凝土破壞導(dǎo)致沖擊力平臺值變得較??；鋼骨混凝土沖擊力時(shí)程曲線經(jīng)歷了峰值段、平臺段和下降段。

2.3 跨中位移

跨中位移時(shí)程曲線如圖6 所示。由圖可見，沖擊速度越大跨中位移也隨之越大；不同邊界條件對試件的跨中位移時(shí)程曲線也有較大影響，兩端簡支試件跨中撓度最大，其次為固簡支試件，兩端固支試件跨中位移最小。結(jié)合表1 和圖6 可知，無論高速攝影還是高度尺所測得的跨中殘余位移規(guī)律一致，且兩者所測得的跨中殘余位移誤差都較小。

圖 5 SRC6 構(gòu)件沖擊力時(shí)程曲線Fig. 5 Time history curves of impact load of SRC6 specimen

圖 6 SRC 構(gòu)件跨中位移時(shí)程曲線Fig. 6 Time history curves of mid-span displacement of SRC specimen at different impact velocities and under different boundary conditions

2.4 軸壓力

軸壓時(shí)程曲線如圖7 所示。由圖可見，落錘沖擊試件后軸力突然有小幅提升，這是由于落錘沖擊試件后，沖擊波從跨中向兩側(cè)端部轉(zhuǎn)遞，導(dǎo)致軸力有小幅增大；但由于鋼骨混凝土構(gòu)件外側(cè)混凝土破壞嚴(yán)重且落錘撞擊導(dǎo)致構(gòu)件發(fā)生整體彎曲變形，使構(gòu)件向跨中收縮，這樣導(dǎo)致軸力發(fā)生明顯的卸載直到最終平穩(wěn)；試件SRC4 軸力卸載4.1%，SRC5 軸力卸載7.5%，SRC6 軸力卸載15.3%，SRC8 軸力卸載8.9%，SRC9 軸力卸載22.8%，這說明沖擊速度越大軸力卸載越明顯，軸壓力越大軸力卸載也越明顯。

圖 7 軸壓時(shí)程曲線Fig. 7 Time history curves of axial pressure

2.5 破壞形態(tài)

落錘在不同沖擊速度下撞擊鋼骨混凝土構(gòu)件的破壞形態(tài)如圖8 所示。由圖8 可知，在沖擊質(zhì)量相同的情況下，隨著沖擊速度的增加，即沖擊能量增加，鋼骨混凝土構(gòu)件外側(cè)的混凝土破壞明顯，尤其沖擊速度為9.39 m/s（沖擊能量為51.08 kJ）時(shí)，試件上部沖擊接觸區(qū)混凝土剝落范圍較大且損害嚴(yán)重，同時(shí)試件出現(xiàn)明顯的剪切斜裂縫。因此，沖擊能量越大試件越容易出現(xiàn)剪切破壞。

不同軸壓力下落錘沖擊鋼骨混凝土構(gòu)件后的破壞形態(tài)如圖9 所示。由圖9 可知，本次試驗(yàn)范圍內(nèi)，在相同的沖擊能量下（即沖擊質(zhì)量和沖擊速度都相同），軸壓力越大，試件的剪切裂縫越明顯，受拉區(qū)的彎曲裂縫越少。對比試件SRC6 和試件SRC9 可知，試件SRC6 的彎曲變形更明顯，說明在一定的軸壓力范圍內(nèi)，軸力越大抗彎承載力越大。

圖 8 不同沖擊速度下構(gòu)件破壞形態(tài)Fig. 8 Failure models of SRC at different drop hammer impact velocities

圖 9 不同軸壓力下落錘沖擊后構(gòu)件破壞形態(tài)Fig. 9 Failure models of SRC under different axial load by drop hammer

不同邊界條件下落錘沖擊鋼骨混凝土構(gòu)件后的破壞形態(tài)如圖10 所示。由圖10 可知，在相同的沖擊條件下，落錘沖擊后兩端簡支的試件破壞最為嚴(yán)重，其次為固簡支的試件，兩端固支的試件破壞程度相對于前兩種支座要好；3 個(gè)試件的剪切斜裂縫和彎曲裂縫都很明顯，其中兩端簡支的試件彎曲變形最為明顯，其次為固簡支試件，最后為兩端固支的試件。

圖 10 不同邊界條件下落錘沖擊后構(gòu)件破壞形態(tài)Fig. 10 Failure models of SRC under different boundary conditions by drop weight

總體看來，鋼骨混凝土構(gòu)件整體抗沖擊性能良好，內(nèi)部鋼筋和鋼骨只發(fā)生了彎曲變形。但在超重型落錘的巨大沖擊能量作用下構(gòu)件外側(cè)混凝土?xí)霈F(xiàn)多道斜剪切裂縫且主要以剪切破壞為主，而相比與沖擊能量較小的落錘試驗(yàn)機(jī)沖擊鋼筋混凝土柱[12]和外側(cè)為混凝土的鋼管混凝土疊合柱[17]時(shí)主要以受彎破壞為主。

3 試驗(yàn)參數(shù)分析

3.1 沖擊速度的影響

落錘沖擊速度變化對鋼骨混凝土構(gòu)件動力響應(yīng)的影響如圖11 所示。由圖11 可知，隨著沖擊速度的增加鋼骨混凝土構(gòu)件的沖擊力峰值、沖擊力平臺值、沖擊持時(shí)和跨中最大撓度也隨之增加。沖擊速度對于鋼骨混凝土構(gòu)件的動力響應(yīng)影響較大且全面，越大的沖擊速度也越容易使試件發(fā)生破壞。

3.2 軸壓的影響

軸壓力變化對鋼骨混凝土構(gòu)件動力響應(yīng)的影響如圖12 所示。由圖12 可知，在本次試驗(yàn)軸力范圍內(nèi)，軸壓力增加，沖擊力峰值也隨之增加，而沖擊持時(shí)隨之減少，沖擊力平臺值的規(guī)律不明顯，有增有減；軸壓力增加，試件跨中位移最大值基本上隨之減小，這是由于在較小軸壓力范圍內(nèi)，軸力使試件抗彎承載力有所提高。

3.3 邊界條件的影響

邊界條件變化對鋼骨混凝土構(gòu)件動力響應(yīng)的影響如圖13 所示。由圖13 可知，其他條件都相同的情況下，兩端簡支試件的沖擊力峰值和平臺值要小于固簡支試件的沖擊力峰值和平臺值，但沖擊力持時(shí)和跨中最大位移情況相反；相同沖擊速度下，兩端固支試件的沖擊力峰值和平臺值要明顯大于固簡支試件和兩端簡支試件的沖擊力峰值和平臺值，相應(yīng)的沖擊持時(shí)和跨中最大位移正好情況相反?？傮w而言，試件邊界條件越強(qiáng)，其沖擊力峰值和平臺值越大，沖擊持時(shí)和跨中位移越小。

圖 11 沖擊速度的影響Fig. 11 Effect of impact velocity

圖 12 軸壓的影響Fig. 12 Effect of axial pressure

圖 13 邊界條件的影響Fig. 13 Effect of? boundary conditions

4 結(jié) 論

本文利用超重型落錘試驗(yàn)機(jī)對鋼骨混凝土構(gòu)件進(jìn)行了抗沖擊試驗(yàn)，在試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)得到以下結(jié)論：

（1）落錘沖擊作用下鋼骨混凝土構(gòu)件會產(chǎn)生彎曲變形和剪切變形，但隨著沖擊能量增大，構(gòu)件外側(cè)混凝土主要以剪切破壞為主；

（2）沖擊速度對于鋼骨混凝土構(gòu)件的動力響應(yīng)影響較大且全面，隨著沖擊速度增加，沖擊力峰值、平臺值、持時(shí)和跨中位移也隨之增大；沖擊速度越快軸壓力卸載也越明顯；且沖擊速度的增大使落錘沖擊能量增大更快，導(dǎo)致鋼骨混凝土構(gòu)件的破壞越嚴(yán)重；

（3）本文試驗(yàn)較小的軸壓力范圍內(nèi)（340.4 kN～680.8 kN），沖擊能量相同的情況下，軸力越大鋼骨混凝土構(gòu)件的抗彎承載力也越大，具體表現(xiàn)為隨著軸力增大構(gòu)件受拉區(qū)混凝土的彎曲裂縫隨之減少，跨中最大位移和殘余位移也隨之減小；

（4）兩端固支的邊界條件對于鋼骨混凝土構(gòu)件的抗沖擊性能提升最為明顯，其次為固簡支邊界，最差為兩端簡支的邊界；

（5）本文試驗(yàn)中兩端固支的鋼骨混凝土構(gòu)件（SRC）的沖擊力平臺值所占沖擊力峰值的比例范圍為23.1%～30.27%，相比于鋼管混凝土構(gòu)件（CFST），鋼骨混凝土構(gòu)件（SRC）的沖擊力平臺值較沖擊力峰值衰減了很多。