钢管混合土抗冲击力研讨
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本文作者：侯川川，王 蕊，韩林海 单位：清华大学土木工程系
钢管混凝土已在土木工程结构中得到了越来越广泛的应用，如高层、地铁、大跨拱桥和输电塔结构等。目前对钢管混凝土在静力荷载、往复荷载和火灾下的力学性能已有不少研究成果[1]。众所周知，结构在服役中有可能遭受一些意外的冲击作用，如高层建筑遭受飞机撞击，桥梁遭受船只或者汽车撞击等。钢管混凝土构件在冲击荷载下的力学性能之前已经有了一些研究工作。如文献[2]进行了圆钢管混凝土短柱构件的轴向冲击试验；文献[3―5]在落锤冲击试验机进行了圆钢管混凝土构件侧向冲击试验，构件边界条件包括固支、固简支和简支；文献[6]进行了方钢管混凝土构件的侧向冲击试验，并使用刚塑性模型建立了构件跨中挠度计算模型；文献[7]进行了高温下钢管混凝土轴向冲击试验，同时在考虑高温及应变率对材料强度的影响的基础上对构件的抗冲击承载力进行了计算。冲击荷载一般分为高速冲击和低速冲击，通常认为当冲击物质量较大，冲击时间较长，受冲击结构发生整体变形而非局部穿透时为低速冲击[8]，因此工程结构遭受车辆等的撞击属于低速冲击。本文建立钢管混凝土在低速横向冲击荷载作用下的有限元计算模型，并用试验数据对有限元模型的精度进行了验证，之后对影响构件在冲击荷载下力学性能的主要因素进行了分析。
1有限元模型的建立
1.1材料模型钢材采用五段式弹塑性本构模型[1]。快速加载时钢材屈服强度随应变率提高而提高，本文采用Cowper-Symonds模型计算钢材在不同应变率下的屈服强度，如式(1)所示，其中dyf为钢材在应变率为ε时的屈服强度，fy为钢材屈服强度。参数D取为6844s1，p取为3.91[9]。1//1(/)dpyyffεD(1)混凝土采用塑性损伤模型，其中材料单轴受压应力-应变曲线采用文献[1]中的模型，该模型考虑了钢管约束效应对混凝土峰值压应变和曲线下降段的影响。CEB规范[10]中建议的混凝土受压应变率效应计算公式如式(2)所示，其中cd为混凝土在冲击荷载下的抗压强度，cs为混凝土抗压强度，各参数取值见文献[10]。快速加载会导致混凝土试件中产生横向惯性约束作用，即快速加载时试件因横向来不及膨胀而对试件产生约束作用，因此单轴加载下的混凝土试件实际处于三轴受压状态，这样测得的强度并非混凝土真实的抗压强度。通常认为在应变率低于102s1左右时这种现象不明显，测得的为真实混凝土抗压强度，而在应变率较高时横向惯性约束作用是混凝土强度提高的主要原因[11―12]。因此采用式(2b)计算的混凝土在冲击荷载下的抗压强度高于真实值。落锤试验中钢管混凝土构件应变率一般在101s1~102s1，因此在有限元模型中采用式(2a)计算。混凝土单轴受拉应力-应变关系采用文献[1]中建议的模型。混凝土在冲击荷载下的抗拉强度采用文献[13]中根据试验数据拟合得到的公式进行计算，如式(3)所示，其中ftd为混凝土在冲击荷载下的抗拉强度，fts为混凝土抗拉强度，各参数取值见文献[13]。与d、ftd相应的峰值压应变和峰值拉应变采用文献[10]中模型进行计算。
1.2网格划分、边界条件和界面处理本文基于ABAQUS[14]软件平台建立横向冲击下钢管混凝土有限元模型。由于冲击为瞬时动力学过程，采用显示动力学模块ABAQUS/Explicit计算。钢管采用四节点减缩积分格式的壳单元模拟，混凝土采用八节点减缩积分格式的三维实体单元模拟，落锤采用四节点三维刚体壳单元模拟。冲击荷载采用将落锤放置在构件附近，并为落锤定义初速度的方法施加。为整个模型施加重力加速度。构件边界条件及网格划分如图1所示。钢管-混凝土和钢管-落锤界面采用“通用接触”模型定义[14]。钢管与混凝土界面接触属性为：法向为硬接触，即垂直于接触面的压力可以在界面上完全传递；切向采用库伦摩擦模拟界面切向力的传递，摩擦系数采用文献[1]中建议的0.6，界面平均粘结力也采用文献[1]中建议的公式计算。钢管和落锤界面切向库伦摩擦系数为0。
2有限元模型的验证
为验证所建立有限元模型的正确性，采用收集到的试验数据进行了验证，验证内容包括冲击力(F)-时间(t)关系曲线和跨中极限挠度(um)。
2.1算例参数文献[3―5]进行了一系列钢管混凝土梁落锤试验。试件采用了多种边界条件及冲击能量。试件均为直径114mm的圆截面钢管混凝土，净跨1.2m，其他信息汇总于表1，其中t0为外钢管厚度，m为落锤质量，H为冲击高度。
2.2冲击力(F)-时间(t)关系曲线计算结果表明，冲击力(F)-时间(t)关系曲线形状与实测结果符合较好，图2中给出了典型比较结果。另外可以看出冲击力在撞击后迅速达到峰值(Fp)，之后一段时间内基本不变，形成一个平台段，以平台段的平均值作为冲击力平台值(F0)。冲击力峰值Fpc/Fpe平均值为1.043，均方差为0.019；平台值F0c/F0e平均值为0.999，均方差为0.004；可见计算结果与实测结果基本吻合。
2.3跨中极限挠度(um)跨中极限挠度计算值(umc)与实测值(ume)的比较如图3所示，可见计算值与实测值整体符合良好。计算值整体比实测值偏大，这与Cowper-Symonds模型的参数取值有关，采用本文参数取值计算的钢材应变率效应相对偏低，造成侧向变形偏大。
3影响因素分析本节分析了冲击能量(E0)、构件截面含钢率()、钢材屈服强度(fy)和混凝土强度(fcu)等参数与冲击力(F)-时间(t)曲线的关系。
3.1冲击能量(E0)保持落锤质量(m)不变，通过改变冲击高度(H)改变冲击能量(E0)的大小。图4所示为E0对冲击力(F)-时间(t)曲线的影响，E0变化范围为12kJ~20kJ。可见，随着E0增大，冲击力峰值增大，冲击力持续时间变长，总冲量增大。同时冲击速度的提高导致材料应变率提高，材料强度略有提高，截面抗弯强度增大，因此冲击力平台值有所提高，但提高幅度很小。
3.2截面含钢率()钢管混凝土构件中钢材和混凝土所占比例通常用构件截面含钢率来表达(=As/Ac)。图5所示为对冲击力(F)-时间(t)曲线的影响，变化范围为0.094~0.179。可以看出，对冲击力和跨中挠度都有较大影响。随着提高，冲击力峰值显著增大，同时冲击力平台值也有所提高，冲击时间变短，说明构件截面抗弯强度提高。
3.3钢材屈服强度(fy)图6所示为钢材屈服强度(fy)对冲击力(F)-时间(t)曲线的影响。可见，随着fy提高，冲击力峰值变化不明显，但冲击力平台值有明显提高，且冲击持续时间变短。说明随着fy的提高，构件截面抗弯强度增大，构件抗冲击能力提高。
3.4混凝土强度(fcu)图7所示为混凝土强度(fcu)对冲击力(F)-时间(t)曲线的影响。可以看出，采用不同强度混凝土的构件冲击力(F)-时间(t)曲线差别很小，说明在本算例参数范围内，fcu对构件在冲击荷载下的反应影响较小。这是由于受拉区混凝土开裂后退出工作，受压区混凝土面积很小，对截面抗弯贡献较小，因此对构件在冲击荷载下的反应影响也较小。
4结论
本文研究可以得到如下结论：(1)建立了钢管混凝土在低速横向冲击下的有限元计算模型，其中考虑了钢材和混凝土的应变率效应及钢管和混凝土之间的接触关系。与现有试验结果的对比发现，该有限元模型可以很好的模拟钢管混凝土在落锤冲击试验中的力学性能。(2)对影响构件在冲击荷载下力学性能的主要因素进行了分析。表明钢管混凝土在冲击荷载下，随着冲击能量的增大，构件冲击力持续时间变长；构件截面含钢率对构件抗冲击能力影响较大，随着截面含钢率提高，构件抗冲击能力明显提高；钢材屈服强度对构件抗冲击能力影响较为显著，但混凝土强度变化对构件抗冲击能力的影响则相对较小。