軸向沖擊下中空夾層鋼管混凝土的動態(tài)性能研究

何雅杰 （安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001）

0 引言

隨著現(xiàn)代社會科技日新月異的發(fā)展，交通也變得四通八達。車、船、高鐵和飛機也越來越多，然而出行便利的同時也伴隨著巨大的危險，如出現(xiàn)了運輸船撞塌橋墩導(dǎo)致橋體傾斜，崩塌事件、飛機撞擊高樓事件、汽車撞擊橋梁等一系列巨大事故，甚至這些美好的建筑成為國際恐怖組織發(fā)展和破壞的目標，因此這些潛在的巨大風(fēng)險讓學(xué)者和專家投入了大量的思考和研究[1]。鋼管混凝土一出現(xiàn)便被大量用于建筑物中，鋼管混凝土是指將預(yù)制好的混凝土砂漿灌入所制備的鋼管中，再進行養(yǎng)護，使得混凝土在鋼管中硬化，與鋼管良好地結(jié)合在一起。鋼管本身具有一定的抗壓、抗拉能力，而混凝土具有良好的抗壓能力，在受到外荷載時，鋼管可以很好地限制混凝土發(fā)生橫向膨脹，而混凝土也限制了鋼管發(fā)生橫向變形，使鋼管混凝土處于三軸應(yīng)力狀態(tài)[2]。鋼管和混凝土的結(jié)合使其力學(xué)性能得到了極大的改善，使材料的性能得到充分發(fā)揮。相比鋼筋混凝土，鋼管混凝土可以節(jié)省模板費用，加速施工進度。

中空夾層鋼管混凝土是將拌制好的混凝土砂漿注入兩個同心放置的鋼管夾層中，再將注入混凝土的鋼管整體放在振搗臺上，將鋼管夾層內(nèi)的混凝土振搗均勻，然后放置在實驗室混凝土養(yǎng)護室中養(yǎng)護。中空夾層鋼管混凝土和實心鋼管混凝土的區(qū)別在于，中空夾層鋼管混凝土將實心鋼管混凝土截面核心處的混凝土用鋼管代替[3]，而用來代替的鋼管壁厚對于中空鋼管混凝土的各項力學(xué)性能也有著很大的影響，鋼管壁厚與薄不僅影響著鋼管的靜態(tài)力學(xué)性能，還影響著鋼管混凝土動態(tài)載荷性能包括沖擊和爆炸。對于同尺寸的實心鋼管混凝土，不管是在靜態(tài)載荷還是在動態(tài)軸壓承載力上，中空夾層鋼管混凝土一般都不會比實心鋼管混凝土要低。目前，關(guān)于中空夾層鋼管混凝土靜力學(xué)的研究已經(jīng)比較充分和完善，而對于中空夾層鋼管混凝土的沖擊動荷載方面的研究性相比較缺乏[4]。

中空夾層鋼管混凝土相較于實心鋼管混凝土的優(yōu)點在于：

中空夾層鋼管代替實心鋼管混凝土截面核心區(qū)域混凝土，不僅節(jié)省了混凝土的用量，減輕了結(jié)構(gòu)的自重，能夠有效地降低工程造價，而且方便實際工程中的安裝。

對于結(jié)構(gòu)抗火性能而言，內(nèi)部的混凝土對外圍鋼管起到了支撐作用，不僅保留了混凝土結(jié)構(gòu)良好的抗火性能，而且有效地防止了在高溫大火下結(jié)構(gòu)的突然破壞導(dǎo)致構(gòu)建物整體倒塌。

1 試驗概況

1.1 試驗材料

鋼管混凝土中的粗骨料采用米石，細骨料采用河沙和標號為42.5級來自淮南市八公山水泥廠的水泥。鋼管采用強度等級為Q345的無縫鋼管。C30混凝土配合比為水泥：砂：石：水=1：1.93：3.14：0.58，C45 混凝土的配合比為水泥：砂：石：水=1：1.31：2.14：0.43。

在試件制備時，鋼管的制備往往會有點誤差，盡量選取比所需要的鋼管外徑略大的，在采用線切割和床刨銑技術(shù)，制備成實驗所需尺寸的鋼管。本實驗選用的是直徑為70mm，高度35mm的鋼管，再分別制備壁厚2mm和3mm的以備實驗對比，為防止鋼管在預(yù)制和養(yǎng)護混凝土?xí)r生銹腐蝕，導(dǎo)致鋼管強度的降低，需要在鋼管表面涂上一層保護油，再將攪拌配制好的混凝土砂漿灌入鋼管中，對其進行振搗，將制備好的鋼管混凝土放入混凝土養(yǎng)護室養(yǎng)護28d。

1.2 試驗方法

本文基于分離式霍普金森壓桿沖擊試驗和數(shù)值模擬，研究中空夾層鋼管混凝土的動力特性及其動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。

試驗采用的是安徽理工大學(xué)能源與安全學(xué)院實驗室的75直徑的SHPB壓桿，該試驗設(shè)備主要有氮氣罐、壓力表、子彈、測速器、入射桿、透射桿、吸收桿、阻尼器、超動態(tài)采集系統(tǒng)等。實驗設(shè)備使用原理：在氣缸中沖入不同壓力的氮氣，通過不同氣壓加載子彈，然后子彈撞擊入射桿，將應(yīng)力脈沖由入射桿傳入到投射桿中，最后由阻尼裝置吸收剩下的能量。

①壓桿調(diào)平。用專業(yè)的桿軸調(diào)平儀器，將桿的軸線調(diào)制在同一條直線上，保證各桿端接觸面能夠重合，再在壓桿上涂上黃油來減少滑動摩擦力。

近幾年來，個人征信系統(tǒng)的發(fā)展突飛猛進。個人信用報告作為企業(yè)簽約客戶的重要依據(jù)，對降低企業(yè)應(yīng)收賬款風(fēng)險有著重要的意義。

②粘貼應(yīng)變片。在壓桿的設(shè)定位置上先用酒精擦去桿表面氧化層，再粘貼上電阻式應(yīng)變片接入超動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

③空打測試。為判斷實驗裝置是否準確，在實驗前，要做一次空打測試。

④墊片安裝。為避免在高氣壓下子彈以高速沖擊入射桿和反射桿，導(dǎo)致桿端產(chǎn)生破壞和損傷，需要在試件和兩桿接觸端墊上兩塊墊片。

⑤試件安裝。將與入射桿和反射桿所接觸的兩端均勻地涂上凡士林，放置在兩個墊片之間用兩桿夾緊。

⑥將子彈搗入膛口。將氣壓加載到預(yù)定的氣壓值，等待命令開閥。

⑦將子彈發(fā)射。在一次沖擊結(jié)束后將實驗數(shù)據(jù)做好采集儲存，將破壞的試件進行收集，并清理桿端和設(shè)備周圍。

①建立子彈長為400mm，直徑75mm，入射桿長為4000mm，直徑75mm，試件直徑70mm，厚度為35mm和投射桿長為2500mm，直徑為75mm的模型。

②劃分網(wǎng)格。將子彈沿長度方向劃分80份，徑向劃分14份。入射桿長度方向劃分800份，徑向劃分14份，試件厚度方向劃分14份，中空內(nèi)小的混凝土部分徑向劃分10份，中空內(nèi)中等的混凝土部分徑向劃分14份，中空內(nèi)大的混凝土部分劃分為18份，鋼管徑向都劃分為2份。透射桿長度方向劃分為500份，徑向劃分為14份。

③創(chuàng)建PART。將子彈，入射桿，試件的混凝土部分，試件的鋼管部分和透射桿模型按順序建立。

④建立接觸。本模擬中子彈和入射桿之間建立自動面面接觸，而試件的端面和入射桿，透射桿之間建立侵蝕面面接觸。

⑤設(shè)置材料本構(gòu)模型。本文選用K&C模型模擬高速沖擊下的混凝土，鋼管采用Cowper_symonds本構(gòu)和塑性隨動強化模型*MAT PLASTIC KINEMATIC，并設(shè)置參數(shù)。

⑥施加約束，設(shè)置加載速度，設(shè)置沙漏和粘性系數(shù)。設(shè)置計算時間，設(shè)置文件輸出類型與頻率，輸出K文件。

2 試驗結(jié)果與結(jié)論分析

在3種中空夾層鋼管混凝土試件在一種氣壓（0.2MPa）下一次沖擊下試驗和模擬的應(yīng)力峰值分別為zknx（試驗峰值應(yīng)力）為124 MPa，zknx（模擬峰值應(yīng)力）為118 MPa。zknz（試驗峰值應(yīng)力）為92 MPa，zknz（模擬峰值應(yīng)力）為95 MPa。zknd（試驗峰值應(yīng)力）為86 MPa，zknd（模擬峰值應(yīng)力）為87 MPa。

通過本次試驗，小直徑中空夾層鋼管混凝土比中等直徑中空夾層鋼管混凝土和大直徑中空夾層鋼管混凝土的抗軸沖能力較強，而中等直徑中空夾層鋼管混凝土和大直徑中空夾層鋼管混凝土的應(yīng)力峰值相差不大。通過LS-DYNA模擬出三種類型的鋼管在試驗同等條件下應(yīng)力應(yīng)變曲線，雖然與試驗值有點區(qū)別，但大致表現(xiàn)出了與試驗相同的結(jié)論。但由于實驗試件量和精度的不足，還需要做更多更深入的實驗研究。鋼管混凝土在以后建筑中將會被大量使用，因此鋼管混凝土的力學(xué)研究價值仍然有非常大的研究意義，尤其是其動態(tài)沖擊的力學(xué)性能。