側(cè)向沖擊荷載作用下圓鋼管混凝土柱力學(xué)性能分析

徐建章，陸晨光

(1.武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，武漢 430070;2.浙江大東吳集團建設(shè)有限公司，湖州 313000)

鋼管混凝土指的是在鋼管中填充混凝土而形成的一種組合結(jié)構(gòu)，其主要特點在于利用混凝土和鋼管的相互作用，彌補其各自在結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工中的缺點。一方面鋼管為核心混凝土提供約束，提高了核心混凝土的強度，也使核心混凝土塑性和韌性得到改善；另一方面混凝土的支撐作用可以延緩鋼管的屈曲，這樣充分地發(fā)揮了兩種材料的優(yōu)勢。由于鋼管混凝土具有承載力高、塑性和韌性好、抗震性能突出、經(jīng)濟效果顯著以及施工方便等優(yōu)點[1]，近年來已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于超高層建筑、電力塔架和橋墩等工程領(lǐng)域。目前，國內(nèi)外學(xué)者對鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)性能進行了大量研究，丁發(fā)興等[2]從連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的角度展開研究，對鋼管混凝土短柱進行彈塑性分析，建立了鋼管混凝土組合材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線的表達式。鄭玲玲等[3]應(yīng)用OpenSEES有限元軟件計算圓鋼管混凝土短柱的軸壓承載力-應(yīng)變關(guān)系曲線。結(jié)果表明，圓鋼管混凝土與普通混凝土的力學(xué)性能差異大；增大核心混凝土的強度、鋼材的套箍系數(shù)和屈服強度都可以提高構(gòu)件的極限承載力。Sundarraja等[4]從數(shù)值模擬的角度對承受軸向壓力的鋼管混凝土柱的力學(xué)性能進行了研究。

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在服役過程中，除了遭受靜力荷載外，還可能受到?jīng)_擊荷載的作用。例如，橋梁橋墩受到輪船的撞擊，建筑受到車輛的撞擊等。事實上，沖擊過程是一個復(fù)雜的非線性動態(tài)過程，與靜力荷載相比，影響結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的因素有很多，如應(yīng)力波的傳播、材料應(yīng)變率效應(yīng)和慣性力等。近年來，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在沖擊荷載作用下的力學(xué)性能成為了許多學(xué)者研究的熱點[5-8]。張晨等[9]對受軸向沖擊荷載的鋼管混凝土短柱進行研究，發(fā)現(xiàn)鋼管混凝土短柱抗沖擊承載能力較強。朱翔等[10]利用有限元分析軟件ABAQUS建立了鋼管混凝土柱受側(cè)向沖擊荷載作用的模型，并對已有文獻的試驗結(jié)果進行對比，驗證了模型的準確性。Qu等[11]使用有限元分析軟件LS-DYNA對圓鋼管混凝土構(gòu)件在側(cè)向沖擊荷載作用下的力學(xué)性能進行了數(shù)值模擬。研究假設(shè)鋼管和混凝土之間的粘結(jié)為完全粘結(jié)，構(gòu)件端部約束為固結(jié)，沖擊荷載作用于跨中。將數(shù)值模擬值與試驗值進行對比，發(fā)現(xiàn)二者吻合良好。并研究了沖擊塊動量、沖擊能量以及沖擊高度等參數(shù)對構(gòu)件力學(xué)性能的影響。王蕊[12]、劉亞玲[13]和賈電波等[14]利用落錘沖擊試驗機對鋼管混凝土結(jié)構(gòu)進行沖擊試驗，得到了構(gòu)件的破壞形態(tài)、跨中撓度和沖擊力時程曲線等。由于鋼材在沖擊荷載的作用下會出現(xiàn)強度提高的特性，而以上研究很少涉及，論文通過數(shù)值模擬對受側(cè)向沖擊的圓鋼管混凝土長柱的力學(xué)性能進行了研究，同時考慮了鋼管和混凝土材料的應(yīng)變率效應(yīng)。

1 數(shù)值模型的建立

為了真實地反應(yīng)構(gòu)件實際受力情況，采用ABAQUS/Explicit顯示動力分析模塊對圓鋼管混凝土柱在沖擊荷載作用下的力學(xué)性能進行數(shù)值模擬，同時考慮了鋼管和混凝土材料的應(yīng)變率效應(yīng)以及不同部件之間的接觸問題等，構(gòu)件尺寸參數(shù)見表1。

表1 尺寸參數(shù)

1.1 鋼材本構(gòu)關(guān)系

該文鋼材的應(yīng)力-應(yīng)變曲線采用五段式彈塑性模型，即彈性階段、彈塑性階段、塑性階段、強化階段及二次塑流階段等5個階段，鋼材的力學(xué)性能見表2。

表2 鋼材的力學(xué)性能

鋼材在沖擊荷載作用下強度會有所提高，其強度隨著加載率的變化而變化。由于該文研究的是低速沖擊的力學(xué)問題，故采用Cowper-symonds模型[15]。在該模型中，鋼材的動態(tài)強度提高系數(shù)主要取決于應(yīng)變率，動態(tài)屈服函數(shù)為

(1)

1.2 混凝土本構(gòu)關(guān)系

采用劉威[16]提出的核心混凝土受壓本構(gòu)模型，該模型考慮了鋼管對核心區(qū)混凝土的套箍效應(yīng)。核心混凝土采用C30，抗壓強度fcu取31.2 MPa。此外，混凝土在沖擊荷載的作用下，受應(yīng)變率效應(yīng)的影響，其抗壓強度和抗拉強度都有所提高，CEB規(guī)范[17]中建議利用動力增大系數(shù)來考慮應(yīng)變率的影響。

1.3 模型建立

利用有限元軟件ABAQUS/Explicit建立圓鋼管混凝土柱受側(cè)向沖擊荷載作用的數(shù)值計算模型。模型包含鋼管、核心混凝土、兩端蓋板、支座圓鋼和落錘5個部分。其中，鋼管采用4節(jié)點減縮積分薄殼單元(S4R)，核心混凝土和兩端蓋板采用8節(jié)點減縮積分三維實體單元(C3D8R)模擬，由于錘頭和支座圓鋼在沖擊過程中的變形很小，故將其設(shè)置為RIGID剛體材料。

2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

2.1 沖擊速度的影響

為研究沖擊速度對圓鋼管混凝土柱力學(xué)性能的影響，取構(gòu)件直徑208 mm，鋼管壁厚8 mm，沖擊高度分別取2 m 、3 m、4 m，對應(yīng)沖擊速度分別為6.26 m/s、7.67 m/s、8.85 m/s。沖擊力時程曲線如圖2所示，沖擊力時程曲線大致可以分為4個階段:落錘在接觸構(gòu)件的瞬間，沖擊力達到峰值，構(gòu)件在極短時間內(nèi)獲得較大的動能，導(dǎo)致下落的速度比落錘快，兩者間的接觸變?nèi)酰蚨鴽_擊力出現(xiàn)衰減，該階段稱為峰值階段；構(gòu)件持續(xù)變形，不斷消耗沖擊動能，導(dǎo)致構(gòu)件跨中速度逐漸降低，而落錘由于重力的作用繼續(xù)下落，再次撞擊構(gòu)件，落錘和構(gòu)件之間再次接觸，沖擊力逐漸增大，再次出現(xiàn)峰值，與第一次沖擊力峰值相比，第二次沖擊力峰值有所減小，該階段稱為震蕩階段；當落錘和構(gòu)件速度逐漸趨于一致，共同向下運動，沖擊力維持不變，將此時的沖擊力值稱作沖擊力平臺值。構(gòu)件變形不斷增長，直至構(gòu)件達到最大跨中撓度，該階段稱為穩(wěn)定階段；當儲存在構(gòu)件中的變形能釋放，構(gòu)件產(chǎn)生回彈，跨中撓度恢復(fù)至一定值，亦稱為跨中殘余撓度。落錘和構(gòu)件開始向上運動，沖擊力不斷下降，直至落錘離開構(gòu)件，沖擊力變?yōu)榱?，整個沖擊過程結(jié)束，該階段稱為衰減階段。沖擊力峰值隨著沖擊速度的增加而增大。究其原因，沖擊速度的增大提高了材料應(yīng)變率，從而增加了材料的強度，但應(yīng)變率的提高對沖擊力平臺值的影響不大。

構(gòu)件跨中撓度曲線和應(yīng)變時程曲線分別如圖3和圖4所示。由圖3可知，跨中撓度隨沖擊速度的增加而增大。當沖擊速度一定時，跨中撓度隨時間不斷增大，當達到?jīng)_擊力衰減階段時，跨中撓度值開始減小。表明此時構(gòu)件已經(jīng)達到最大變形量并開始出現(xiàn)回彈。由圖4可知，當構(gòu)件受到?jīng)_擊后，跨中截面下表面應(yīng)變迅速增加，當超過極限拉應(yīng)變后構(gòu)件的變形不會恢復(fù)到初始狀態(tài)，存在殘余應(yīng)變，殘余應(yīng)變值隨著沖擊速度的增加而增大。

2.2 構(gòu)件尺寸的影響

當沖擊速度為6.26 m/s時，利用鋼管壁厚為8 mm、管徑分別為148 mm和208 mm的構(gòu)件進行模擬分析。沖擊力時程曲線如圖5所示，由圖5可知，沖擊力峰值和平臺值隨管徑的增加而增大，表明增大構(gòu)件尺寸能夠提高鋼管混凝土柱的抗側(cè)向沖擊承載力。

2.3 鋼管壁厚的影響

為研究鋼管壁厚對圓鋼管混凝土柱力學(xué)性能的影響，取沖擊速度為6.26 m/s、模型管徑為208 mm、鋼管壁厚分別取6 mm和8 mm。沖擊力時程曲線如圖6所示，由圖6可知，沖擊力峰值和平臺值隨鋼管壁厚的增加而增大，表明增加鋼管壁厚能夠提高鋼管混凝土柱的抗側(cè)向沖擊承載力。不同鋼管壁厚的構(gòu)件跨中撓度曲線和應(yīng)變時程曲線分別如圖7和圖8所示。由圖7和圖8可知，鋼管壁厚對構(gòu)件跨中撓度和應(yīng)變都有一定的影響。增大鋼管壁厚，構(gòu)件跨中撓度和殘余應(yīng)變都有所降低，這是因為鋼管截面剛度隨壁厚的增加而增大，使得構(gòu)件整體抗彎剛度變大。因此，適當增加鋼管壁厚能夠提高鋼管混凝土柱抗沖擊性能。

表3列出了沖擊速度與跨中最大撓度值，通過分析表3可以得出構(gòu)件跨中的最大變形與外包鋼管的壁厚和構(gòu)件截面尺寸的關(guān)系：當構(gòu)件的截面尺寸一定時 ，增大鋼管壁厚，能夠減小構(gòu)件跨中變形，且隨著沖擊速度的增加，減小的比率逐漸增大；當構(gòu)件的鋼管壁厚一定時，增大截面尺寸，能夠減小構(gòu)件跨中變形，但隨著沖擊速度的增加，減小的比率逐漸降低。

表3 試件跨中最大變形分析

3 結(jié) 論

該文運用大型有限元分析軟件ABAQUS進行數(shù)值模擬，研究了側(cè)向沖擊荷載作用下圓鋼管混凝土柱的力學(xué)性能，并分析了不同參數(shù)對圓鋼管混凝土柱力學(xué)性能的影響，得出以下結(jié)論：

a.沖擊力時程曲線包含峰值、震蕩、穩(wěn)定和衰減4個階段，構(gòu)件的沖擊力峰值和沖擊平臺值隨著沖擊速度的增加而增大。

b.構(gòu)件跨中撓度和殘余應(yīng)變隨沖擊速度的增加而增大，當達到?jīng)_擊力衰減階段時，跨中撓度值開始減小。

c.當構(gòu)件尺寸一定時，增大鋼管壁厚，能夠減小構(gòu)件跨中的變形，且隨著沖擊速度的增加，減小的比率逐漸增大；當構(gòu)件的壁厚一定時，增大構(gòu)件截面尺寸，也能夠減小構(gòu)件的變形，但隨著沖擊速度的增加，減小的比率逐漸降低。