钢管混凝土结构构件在轴向冲击下的变形研究

刘三梅

(山西四建集团有限公司，山西太原 030024)

0 引言

钢管混凝土是指在钢管中填充混凝土，利用混凝土材料与钢管材料在受力过程中的相互作用形成的一种结构构件。在这种结构构件中，钢管对混凝土产生约束作用，同时，混凝土的存在保证了薄壁钢管的局部稳定，使其承载力得到充分发挥。另一方面，在施工过程中，钢管可以充当核心混凝土模板的作用，与钢筋混凝土相比，提高了施工效率，并节省费用。钢管混凝土构件以其承载力高、塑性和韧性好、施工方便、耐火性好及经济效益好等一系列优点被大范围推广应用到工程建设当中。如西雅图58层的Two Union Square大厦和Pacific First Center大厦、澳大利亚墨尔本的Casselden Place Project等建筑均采用了钢管混凝土构件。我国于20世纪60年代开始研究钢管混凝土，并将其应用于各类建筑结构。如武汉71层的国际证券大厦采用了矩形钢管混凝土结构，深圳76层的赛格广场大厦采用了圆钢管混凝土。

与其他建筑结构材料一样，钢管混凝土作为建筑结构的梁、柱等主要承重构件，在使用过程中，也面临着遭受意外碰撞的风险。一旦遭受爆炸、撞击等冲击破坏，将造成极大的经济损失和社会影响，因此，钢管混凝土结构在冲击荷载作用下的承载力问题引起了高度关注。本文通过对不同含钢率的钢管混凝土短柱进行冲击试验，研究其在冲击荷载作用下，试件轴向、径向变形与冲击能量的关系。

1 试验方案

1.1 试验设备及试件的制作

本试验针对9根直径152 mm、柱高500 mm、壁厚t分别为3.5 mm，3.8 mm和4.2 mm的三种钢管混凝土短柱，利用冲击试验机进行了轴向冲击试验。本试验取锤重为220 kg的落锤自试验机上端呈自由落体下落，由不同的冲击高度获得满足试验要求的不同的冲击能量。

试验用钢管混凝土轴压短柱核心混凝土强度不变，钢管的直径相同，只改变钢管的厚度，即改变构件的含钢率。试件用钢管为Q235号低碳钢管，测得混凝土轴心抗压强度为fc=48.2 MPa。试件几何尺寸及所用材料的性质见表1。

表1 试件几何尺寸及使用材料性质

1.2 试件的测点位置及测量参数

试件的测点位置布置为:在距试件的上下端各100 cm处及中间部位布置电阻应变片，以实现钢管混凝土纵、横向应变的测定;通过位移计来测定试件在试验过程中的纵向变形。用钢针划分出纵横网格以更好地观察试件在试验过程中的变形情况，现场布置见图1。

图1 现场布置图

2 试验结果

2.1 纵向最大变形及试件破坏形态

表2为不同的落锤下落高度下不同壁厚钢管混凝土短柱轴向冲击实验结果，图2分别为落锤在9 m，12 m下落高度构件的变形情况。试验中观察到，在冲击能量较小时，试件没有明显的变形。随着下落高度的增加，冲击能量增大，试件发生了不同程度的剪切变形。可以看出，随着冲击能量的增加，相同壁厚的钢管混凝土试件，其轴向及环向变形随下落高度的增加而增大;不同壁厚相同冲击能量下的钢管混凝土试件，壁厚大的试件变形小于壁厚小的试件。

表2 试件编号和试验结果

2.2 各试件应变分布

图3为冲击速度10.84 m/s情况下三种壁厚试件中部的轴向、径向应变时程曲线;图4为套箍系数与残余应变的关系。通过分析以上数据可以看出:在大部分试件的三个测点中，其中部的峰值应变和残余应变均大于顶部、底部应变的测量值;纵向应变略大于径向应变;随着套箍系数的增加，其相应的应变值减小;当应变值大于3 000 με后，截面屈服，产生较明显的残余应变。而应变值在较小的情况下，试件处于弹性变形状态，残余应变值很小。

图2 不同冲击能量下的变形

图3 冲击速度10.84 m/s情况下应变时程曲线

图4 套箍系数与残余应变的关系

3 结语

1)钢管混凝土试件在轴向冲击作用下，出现不同程度的压缩变形，随作用力的增加，混凝土沿45°方向发生剪切破坏。

2)相同壁厚的钢管混凝土构件，随着锤体下落高度的增加即冲击能量的增加，构件的轴向、径向变形增加;相同冲击能量下，套箍系数小的构件其变形较大。

3)由于钢管与混凝土相互约束改善了材料的力学性能，因此钢管混凝土构件具有良好的延性和抗冲击性能。套箍系数越大，构件的抗冲击性能越好。