• ISSN 1001-1455  CN 51-1148/O3
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钢骨混凝土构件抗冲击性能试验研究

朱翔 刘宏 陆新征 王蕊

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钢骨混凝土构件抗冲击性能试验研究

    作者简介: 朱 翔(1987- ),男,博士,副教授,zhuxiang@sxu.edu.cn;
  • 中图分类号: O383; TU398.9

Experimental study on impact resistance of steel reinforced concrete members

  • CLC number: O383; TU398.9

  • 摘要: 利用超重型落锤试验机对钢骨混凝土构件进行了侧向冲击试验,研究了落锤冲击钢骨混凝土构件的冲击全过程和最终的破坏形态;分析了钢骨混凝土构件冲击力、位移和轴力时程曲线的特性;对比了不同冲击速度、冲击能量、轴压和边界条件等因素对钢骨混凝土构件的动力响应的影响。结果表明:钢骨混凝土构件在落锤冲击作用下外侧混凝土破坏严重,且冲击能量越大,外侧混凝土越易出现剪切破坏,但内部钢筋和钢骨只发生了一定的弯曲变形,表明钢骨混凝土构件抗冲击性能整体良好。本次试验参数范围内,钢骨混凝土构件的冲击力和跨中位移随冲击速度增加而增大;轴压力增大使钢骨混凝土构件的冲力峰值增大,冲击持时和跨中位移减小;相对于固简支和两端简支的边界条件,两端固支的边界对于钢骨混凝土构件的抗冲击性能提升最好。
  • 图 1  钢骨混凝土试件设计详图(单位:mm)

    Figure 1.  Design details of SRC specimen (unit: mm)

    图 2  超重型落锤试验装置

    Figure 2.  Super heavy drop weight test equipment

    图 3  落锤示意图(单位:mm)

    Figure 3.  Illustration of drop weight (unit: mm)

    图 4  试件SRC6冲击全过程

    Figure 4.  Impact process for SRC6

    图 5  SRC6构件冲击力时程曲线

    Figure 5.  Time history curves of impact load of SRC6 specimen

    图 6  SRC构件跨中位移时程曲线

    Figure 6.  Time history curves of mid-span displacement of SRC specimen at different impact velocities and under different boundary conditions

    图 7  轴压时程曲线

    Figure 7.  Time history curves of axial pressure

    图 8  不同冲击速度下构件破坏形态

    Figure 8.  Failure models of SRC at different drop hammer impact velocities

    图 9  不同轴压力下落锤冲击后构件破坏形态

    Figure 9.  Failure models of SRC under different axial load by drop hammer

    图 10  不同边界条件下落锤冲击后构件破坏形态

    Figure 10.  Failure models of SRC under different boundary conditions by drop weight

    图 11  冲击速度的影响

    Figure 11.  Effect of impact velocity

    图 12  轴压的影响

    Figure 12.  Effect of axial pressure

    图 13  边界条件的影响

    Figure 13.  Effect of boundary conditions

    表 1  钢骨混凝土试件信息及试验结果

    Table 1.  SRC specimen information and test results

    试件编号边界条件m/kgN/kNv/(m·s−1Fmax/kNFstab/kNTd/ms$\varDelta _{\rm{cmax}} /{\rm{mm}}$$\varDelta _{\rm{cstab}} /{\rm{mm}}$$\varDelta _{\rm{rstab}} /{\rm{mm}}$
    SRC4两端固支1 158.7340.45.4210 932.022 524.7710.4013.675.005.36
    SRC5两端固支1 158.7340.47.6712 489.503 780.5821.9727.4315.4313.02
    SRC6两端固支1 158.7340.49.3914 936.493 977.9331.9334.1820.6520.10
    SRC7两端固支1 158.7680.85.4214.23 3.94 5.00
    SRC8两端固支1 158.7680.87.6712 600.273 429.3319.9325.3513.0012.76
    SRC9两端固支1 158.7680.89.3915 426.774 259.5225.9332.5519.5021.00
    SRC10固简支1 158.709.3912 880.981 703.5743.9346.1330.0022.28
    SRC11两端简支1 158.709.3912 281.951 648.8447.9359.0042.5040.96
     注:m为冲击质量;N为所施加的轴力;v为冲击速度;Fmax为冲击力峰值;Fstab为冲击力平台值;Td为冲击力持续时间;$\varDelta _{\rm{cmax}} $为高速摄影测得试件跨中位移最大值;$\varDelta _{\rm{cstab}} $为高速摄影测得试件跨中残余位移值;$\varDelta _{\rm{rstab}} $为高度尺测得试件跨中残余位移值。
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    表 2  钢材的力学性能

    Table 2.  Mechanical properties of the steel

    钢材类型屈服强度/MPa极限强度/MPa弹性模量/GPa伸长率/%
    6 mm 钢板427.0625.321022.2
    9 mm 钢板358.2529.420323.0
    12 mm 纵筋362.3543.521223.2
    8 mm 箍筋370.2525.721620.8
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    表 3  落锤具体尺寸

    Table 3.  Specific size of drop weight

    名称形状底面直径/mm底面尺寸/mm高度/mm质量/kg
    配重圆柱体490486 719.43
    锤头顶部圆柱体500150 231.20
    过渡部位长方体300×300 50 35.33
    传感器长方体200×200100 31.40
    锤头底部长方体300×300200 141.30
    总质量1 158.70
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-12-17
  • 录用日期:  2019-04-11
  • 网络出版日期:  2019-10-25
  • 刊出日期:  2019-11-01

钢骨混凝土构件抗冲击性能试验研究

    作者简介:朱 翔(1987- ),男,博士,副教授,zhuxiang@sxu.edu.cn
  • 1. 东南大学混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室,江苏 南京 210018
  • 2. 山西大学土木工程系,山西 太原 030013
  • 3. 清华大学土木工程安全与耐久教育部重点试验室,北京 100084
  • 4. 太原理工大学建筑与土木工程学院,山西 太原 030024

摘要: 利用超重型落锤试验机对钢骨混凝土构件进行了侧向冲击试验,研究了落锤冲击钢骨混凝土构件的冲击全过程和最终的破坏形态;分析了钢骨混凝土构件冲击力、位移和轴力时程曲线的特性;对比了不同冲击速度、冲击能量、轴压和边界条件等因素对钢骨混凝土构件的动力响应的影响。结果表明:钢骨混凝土构件在落锤冲击作用下外侧混凝土破坏严重,且冲击能量越大,外侧混凝土越易出现剪切破坏,但内部钢筋和钢骨只发生了一定的弯曲变形,表明钢骨混凝土构件抗冲击性能整体良好。本次试验参数范围内,钢骨混凝土构件的冲击力和跨中位移随冲击速度增加而增大;轴压力增大使钢骨混凝土构件的冲力峰值增大,冲击持时和跨中位移减小;相对于固简支和两端简支的边界条件,两端固支的边界对于钢骨混凝土构件的抗冲击性能提升最好。

English Abstract

  • 钢骨混凝土构件具有承载力高、刚度大和延性好的特点,其抗震性能和抗火性能也较好[1]。因此,钢骨混凝土构件在高层结构、超高层结构和大跨空间结构等建筑中广泛使用。叶列平等[2]最早研究了钢骨混凝土柱的轴压比限值问题并进行了大量的静力试验研究。周颖等[3]对不同含钢率的钢骨混凝土连梁联肢剪力墙的抗震性能进行了试验研究。蒋晶[4]利用有限元软件ABAQUS对T形截面的异形钢骨混凝土柱侧向撞击性能进行了分析。张玲[5]对钢骨混凝土桥墩抗冲击性能进行了初步研究,对三根角钢混凝土桥墩和两根槽钢混凝土桥墩进行了抗冲击试验。朱翔等[6]利用有限元软件MSC.Marc对结构中所使用的钢骨混凝土柱进行了抗冲击性能分析。以上研究表明钢骨混凝土构件的力学性能被广泛关注。

    钢骨混凝土构件作为主要的承重构件在服役期间可能遭到汽车、火车和船舶等交通工具的撞击[7-9],从而导致其损伤或者破坏。而现阶段国内外研究者对构件的抗冲击试验研究主要集中于钢管混凝土构件、钢筋混凝土构件和钢骨混凝土桥墩等。Yousuf等[10]对比研究了空心不锈钢钢管和不锈钢钢管混凝土柱的抗冲击性能。Han等[11]研究了侧向撞击作用下钢管混凝土柱的抗冲击性能。朱翔等[12-13]对比研究了钢筋混凝土柱、外包钢管加固RC柱和新型截面复合柱的抗冲击性能。但是,钢骨混凝土的冲击破坏模式与钢管混凝土构件和钢筋混凝土构件都有所不同,需要深入研究对比。张南等[14]、陈佳佳等[15]最早对钢骨混凝土桥墩进行了水平撞击试验,分析了其抗冲击性能,但对比试件较少,不具有普遍性。上述研究中对建筑结构中常用的钢骨混凝土构件抗冲击试验研究较少,而钢骨混凝土构件作为建筑结构中主要的承重构件其抗冲击性能试验研究是十分必要的。

    因此,本文采用落锤试验机对钢骨混凝土构件进行侧向撞击试验,通过变化冲击速度、轴压比和边界条件等参数对钢骨混凝土构件的抗冲击性能进行了深入研究,进而对比分析了不同参数影响下钢骨混凝土构件的抗冲击性能,从而全面掌握钢骨混凝土构件的抗冲击性能。

    • 本试验设计了8根完全相同的钢骨混凝土试件进行对比分析其抗冲击性能,试件信息如表1所示。试件长度为1 800 mm,左侧支座固定试件长度为225 mm,右侧支座固定试件长度为350 mm,预留25 mm为自由端施加轴力,则有效长度为1 200 mm。本次试验中钢骨混凝土试件截面尺寸设计为300 mm×300 mm。试件的内配十字型钢截面尺寸为200 mm×100 mm×9 mm×6 mm,纵筋直径12 mm,箍筋在支座加密区配置$\varnothing $8@50,跨中配置为$\varnothing $8@100,混凝土保护层厚度为20 mm。型钢采用Q345低碳钢,纵筋采用HRB335级钢筋,箍筋采用HPB300级钢筋,混凝土设计强度等级为C40。试件左右两侧的钢盖板厚度为20 mm,以防止试件加载轴力时混凝土局部破坏。钢骨混凝土试件设计详图如图1所示。

      试件编号边界条件m/kgN/kNv/(m·s−1Fmax/kNFstab/kNTd/ms$\varDelta _{\rm{cmax}} /{\rm{mm}}$$\varDelta _{\rm{cstab}} /{\rm{mm}}$$\varDelta _{\rm{rstab}} /{\rm{mm}}$
      SRC4两端固支1 158.7340.45.4210 932.022 524.7710.4013.675.005.36
      SRC5两端固支1 158.7340.47.6712 489.503 780.5821.9727.4315.4313.02
      SRC6两端固支1 158.7340.49.3914 936.493 977.9331.9334.1820.6520.10
      SRC7两端固支1 158.7680.85.4214.23 3.94 5.00
      SRC8两端固支1 158.7680.87.6712 600.273 429.3319.9325.3513.0012.76
      SRC9两端固支1 158.7680.89.3915 426.774 259.5225.9332.5519.5021.00
      SRC10固简支1 158.709.3912 880.981 703.5743.9346.1330.0022.28
      SRC11两端简支1 158.709.3912 281.951 648.8447.9359.0042.5040.96
       注:m为冲击质量;N为所施加的轴力;v为冲击速度;Fmax为冲击力峰值;Fstab为冲击力平台值;Td为冲击力持续时间;$\varDelta _{\rm{cmax}} $为高速摄影测得试件跨中位移最大值;$\varDelta _{\rm{cstab}} $为高速摄影测得试件跨中残余位移值;$\varDelta _{\rm{rstab}} $为高度尺测得试件跨中残余位移值。

      表 1  钢骨混凝土试件信息及试验结果

      Table 1.  SRC specimen information and test results

      图  1  钢骨混凝土试件设计详图(单位:mm)

      Figure 1.  Design details of SRC specimen (unit: mm)

    • 每个钢骨混凝土试件进行浇筑的同时预留3个150 mm×150 mm×150 mm的标准立方体试块,在进行钢骨混凝土抗冲击试验的同时测得混凝土立方体抗压强度为44.84 MPa。采用标准拉伸试验方法,测得钢骨混凝土构件所用H型钢和钢筋的相关力学性能参数,如表2所示。

      钢材类型屈服强度/MPa极限强度/MPa弹性模量/GPa伸长率/%
      6 mm 钢板427.0625.321022.2
      9 mm 钢板358.2529.420323.0
      12 mm 纵筋362.3543.521223.2
      8 mm 箍筋370.2525.721620.8

      表 2  钢材的力学性能

      Table 2.  Mechanical properties of the steel

    • 试验在超重型落锤试验机上完成,试验装置如图2所示。该试验机有效高度为5 m,相应冲击速度为9.9 m/s,落锤总质量可达到1.16 t,为国内外同类落锤试验装置中最重落锤质量。本次试验最大冲击速度为9.39 m/s,这是根据文献[16]中列车脱轨后侧向撞击站房柱的横向撞击速度确定的。试验中落锤总质量恒定为1 158.7 kg(约为1.16 t),锤头底部为长方体(300 mm×300 mm×200 mm),锤头底部与试件冲击接触面为300 mm×300 mm的正方形,具体尺寸见表3图3。冲击位置为试件有效长度的中点处。运用高速摄影采集跨中的挠度时程曲线,采集速度为3 000帧/秒。轴力通过200 t液压千斤顶首先施加在蝶形弹簧上,再通过蝶形弹簧施加到试件上。蝶形弹簧在试件遭受冲击的过程中可以通过储存的弹性势能使轴力一直加载在试件上。

      图  2  超重型落锤试验装置

      Figure 2.  Super heavy drop weight test equipment

      名称形状底面直径/mm底面尺寸/mm高度/mm质量/kg
      配重圆柱体490486 719.43
      锤头顶部圆柱体500150 231.20
      过渡部位长方体300×300 50 35.33
      传感器长方体200×200100 31.40
      锤头底部长方体300×300200 141.30
      总质量1 158.70

      表 3  落锤具体尺寸

      Table 3.  Specific size of drop weight

      图  3  落锤示意图(单位:mm)

      Figure 3.  Illustration of drop weight (unit: mm)

    • 通过高速摄影对钢骨混凝土柱的冲击全过程进行追踪,掌握落锤冲击钢骨混凝土柱的各个过程。以试件SRC6为例,冲击全过程如图4所示。落锤冲击试件前试件SRC6在轴力和支座约束下保持静止状态(图4(a)),而后落锤下落,试件与落锤瞬间接触(图4(b))。在超重型落锤的巨大冲击能量作用下试件同时出现剪切斜裂缝和弯曲裂缝(图4(c)),落锤和试件一起向下运动,直到试件达到一定变形量时试件和落锤发生反弹(图4(d)),试件的反弹量较小,而落锤反弹位移较大(图4(e))。最后落锤反弹与防撞护栏接触后缓慢落下后与试件最终静止(图4(f))。

      图  4  试件SRC6冲击全过程

      Figure 4.  Impact process for SRC6

    • 冲击力时程曲线如图5所示。由图5可知,较大截面尺寸的钢骨混凝土试件在超重型落锤冲击下造成的冲击力峰值都较大;而冲击力平台值相对于冲击力峰值衰减了很多,这是由于外侧混凝土破坏导致冲击力平台值变得较小;钢骨混凝土冲击力时程曲线经历了峰值段、平台段和下降段。

      图  5  SRC6构件冲击力时程曲线

      Figure 5.  Time history curves of impact load of SRC6 specimen

    • 跨中位移时程曲线如图6所示。由图可见,冲击速度越大跨中位移也随之越大;不同边界条件对试件的跨中位移时程曲线也有较大影响,两端简支试件跨中挠度最大,其次为固简支试件,两端固支试件跨中位移最小。结合表1图6可知,无论高速摄影还是高度尺所测得的跨中残余位移规律一致,且两者所测得的跨中残余位移误差都较小。

      图  6  SRC构件跨中位移时程曲线

      Figure 6.  Time history curves of mid-span displacement of SRC specimen at different impact velocities and under different boundary conditions

    • 轴压时程曲线如图7所示。由图可见,落锤冲击试件后轴力突然有小幅提升,这是由于落锤冲击试件后,冲击波从跨中向两侧端部转递,导致轴力有小幅增大;但由于钢骨混凝土构件外侧混凝土破坏严重且落锤撞击导致构件发生整体弯曲变形,使构件向跨中收缩,这样导致轴力发生明显的卸载直到最终平稳;试件SRC4轴力卸载4.1%,SRC5轴力卸载7.5%,SRC6轴力卸载15.3%,SRC8轴力卸载8.9%,SRC9轴力卸载22.8%,这说明冲击速度越大轴力卸载越明显,轴压力越大轴力卸载也越明显。

      图  7  轴压时程曲线

      Figure 7.  Time history curves of axial pressure

    • 落锤在不同冲击速度下撞击钢骨混凝土构件的破坏形态如图8所示。由图8可知,在冲击质量相同的情况下,随着冲击速度的增加,即冲击能量增加,钢骨混凝土构件外侧的混凝土破坏明显,尤其冲击速度为9.39 m/s(冲击能量为51.08 kJ)时,试件上部冲击接触区混凝土剥落范围较大且损害严重,同时试件出现明显的剪切斜裂缝。因此,冲击能量越大试件越容易出现剪切破坏。

      图  8  不同冲击速度下构件破坏形态

      Figure 8.  Failure models of SRC at different drop hammer impact velocities

      不同轴压力下落锤冲击钢骨混凝土构件后的破坏形态如图9所示。由图9可知,本次试验范围内,在相同的冲击能量下(即冲击质量和冲击速度都相同),轴压力越大,试件的剪切裂缝越明显,受拉区的弯曲裂缝越少。对比试件SRC6和试件SRC9可知,试件SRC6的弯曲变形更明显,说明在一定的轴压力范围内,轴力越大抗弯承载力越大。

      图  9  不同轴压力下落锤冲击后构件破坏形态

      Figure 9.  Failure models of SRC under different axial load by drop hammer

      不同边界条件下落锤冲击钢骨混凝土构件后的破坏形态如图10所示。由图10可知,在相同的冲击条件下,落锤冲击后两端简支的试件破坏最为严重,其次为固简支的试件,两端固支的试件破坏程度相对于前两种支座要好;3个试件的剪切斜裂缝和弯曲裂缝都很明显,其中两端简支的试件弯曲变形最为明显,其次为固简支试件,最后为两端固支的试件。

      图  10  不同边界条件下落锤冲击后构件破坏形态

      Figure 10.  Failure models of SRC under different boundary conditions by drop weight

      总体看来,钢骨混凝土构件整体抗冲击性能良好,内部钢筋和钢骨只发生了弯曲变形。但在超重型落锤的巨大冲击能量作用下构件外侧混凝土会出现多道斜剪切裂缝且主要以剪切破坏为主,而相比与冲击能量较小的落锤试验机冲击钢筋混凝土柱[12]和外侧为混凝土的钢管混凝土叠合柱[17]时主要以受弯破坏为主。

    • 落锤冲击速度变化对钢骨混凝土构件动力响应的影响如图11所示。由图11可知,随着冲击速度的增加钢骨混凝土构件的冲击力峰值、冲击力平台值、冲击持时和跨中最大挠度也随之增加。冲击速度对于钢骨混凝土构件的动力响应影响较大且全面,越大的冲击速度也越容易使试件发生破坏。

      图  11  冲击速度的影响

      Figure 11.  Effect of impact velocity

    • 轴压力变化对钢骨混凝土构件动力响应的影响如图12所示。由图12可知,在本次试验轴力范围内,轴压力增加,冲击力峰值也随之增加,而冲击持时随之减少,冲击力平台值的规律不明显,有增有减;轴压力增加,试件跨中位移最大值基本上随之减小,这是由于在较小轴压力范围内,轴力使试件抗弯承载力有所提高。

      图  12  轴压的影响

      Figure 12.  Effect of axial pressure

    • 边界条件变化对钢骨混凝土构件动力响应的影响如图13所示。由图13可知,其他条件都相同的情况下,两端简支试件的冲击力峰值和平台值要小于固简支试件的冲击力峰值和平台值,但冲击力持时和跨中最大位移情况相反;相同冲击速度下,两端固支试件的冲击力峰值和平台值要明显大于固简支试件和两端简支试件的冲击力峰值和平台值,相应的冲击持时和跨中最大位移正好情况相反。总体而言,试件边界条件越强,其冲击力峰值和平台值越大,冲击持时和跨中位移越小。

      图  13  边界条件的影响

      Figure 13.  Effect of boundary conditions

    • 本文利用超重型落锤试验机对钢骨混凝土构件进行了抗冲击试验,在试验参数范围内得到以下结论:

      (1)落锤冲击作用下钢骨混凝土构件会产生弯曲变形和剪切变形,但随着冲击能量增大,构件外侧混凝土主要以剪切破坏为主;

      (2)冲击速度对于钢骨混凝土构件的动力响应影响较大且全面,随着冲击速度增加,冲击力峰值、平台值、持时和跨中位移也随之增大;冲击速度越快轴压力卸载也越明显;且冲击速度的增大使落锤冲击能量增大更快,导致钢骨混凝土构件的破坏越严重;

      (3)本文试验较小的轴压力范围内(340.4 kN~680.8 kN),冲击能量相同的情况下,轴力越大钢骨混凝土构件的抗弯承载力也越大,具体表现为随着轴力增大构件受拉区混凝土的弯曲裂缝随之减少,跨中最大位移和残余位移也随之减小;

      (4)两端固支的边界条件对于钢骨混凝土构件的抗冲击性能提升最为明显,其次为固简支边界,最差为两端简支的边界;

      (5)本文试验中两端固支的钢骨混凝土构件(SRC)的冲击力平台值所占冲击力峰值的比例范围为23.1%~30.27%,相比于钢管混凝土构件(CFST),钢骨混凝土构件(SRC)的冲击力平台值较冲击力峰值衰减了很多。

参考文献 (17)

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