冲击与爆炸荷载作用下钢管混凝土柱性能分析

(广州大学土木工程学院 广东 广州 510000)

引言

钢管混凝土是指在钢管中填充混凝土而形成的构件，由于其具有高承载力、良好的塑性和韧性、显著的经济效益和施工简便等优点，因而大量应用在高层建筑结构[1]。随着社会的发展高层建筑越来越多，人们对于高层建筑的安全防范越来越重视，而爆炸及冲击无疑是对高层建筑安全性的重大威胁。因此本文针对钢管混凝土柱在爆炸和冲击荷载下的性能进行综述。

一、钢管混凝土研究发展历史

钢管混凝土是在劲性钢筋混凝土以及螺旋配筋混凝土的基础上演变和发展起来的。从1897年美国人John Lally发明在圆钢管中填充混凝土作为房屋建筑的承重柱算起，钢管混凝土结构在土木工程中的应用已有百年历史[2]。对钢管混凝土力学性能的深入研究以及大范围推广应用于工程实际主要是在20世纪60年代前后。

我国最早开展这方面研究工作的是原中国科学院哈尔滨土建研究所，主要对钢管中浇筑素混凝土的内填型钢管混凝土结构开展研究，且研究对象主要为圆钢管混凝土结构。随着钢管混凝土在我国研究的进展，建设部于1995年将“钢管混凝土结构技术”列入科技成果重点推广项目[3]，以及钢管混凝土结构设计技术规程(CECS 28:2012)、实心与空心钢管混凝土结构技术规程(CECS 254:2012)的颁布实施都有力地推动了钢管混凝土结构技术在我国的高层建筑工程、地铁车站工程和大跨度桥梁工程中的应用，而钢管混凝土结构技术自身也在上述工程实践中得到了新的发展。

二、冲击和爆炸荷载下钢管混凝土柱性能研究

建筑结构在爆炸冲击荷载作用下的动态响应与静荷载相比有着许多不同的规律。在中低速荷载作用下，钢管混凝土材料性能不至于发生显著变化，而爆炸冲击荷载作用下巨大的能量会引起钢管混凝土柱结构的超大变形、屈曲、断裂、甚至是连续性倒塌，造成灾难性事故。钢管混凝土是组合结构，在爆炸冲击荷载作用下，钢管和混凝土材料产生弹塑性变形、动态损伤、等多种效应藕合，其破坏过程是一个更为复杂的非线性的动力破坏过程，它与钢管、混凝土材料性能、几何参数、炸药当量、距离或被撞击物形状、质量、速度及冲击部位、结构边界条件等情况密切相关，研究难度大，是防灾减灾工程与防护工程领域的热点课题。

目前，已有一些学者对钢管混凝土构件的爆炸冲击动力性能进行了理论分析或试验研究。清华大学的陈肇元[4]等对七组共42根钢管混凝土短柱做了试验分析，探讨了该类短柱的动力性能。试验结果表明:钢管混凝土短柱具有非常好的延性和抵抗暂时作用的爆炸荷载的能力。

李国强，瞿海雁[5]等通过对12个钢管混凝土柱试件进行现场爆炸试验，以研究钢管混凝土柱的抗爆性能。试验中以炸药当量、炸药放置距离、轴压比、混凝土强度等级和含钢率为控制参数，研究不同参数对钢管混凝土柱抗爆性能的影响。试验结果表明：钢管混凝土柱在爆炸荷载作用下以弯曲变形为主。随着炸药当量和轴压比的增加，试件的最大变形和残余变形增大；随着混凝土强度等级、含钢率的增加，试件的最大变形和残余变形减小。

王宏伟，王亚生[6]等以炸药当量和钢管壁厚为控制参数，进行了8根大尺寸圆钢管及方钢管混凝土柱的爆炸试验。得到了炸药爆炸冲击波的压力时程曲线，分析了钢管混凝土柱的位移和应变变化，并对破坏模式进行了研究。试验结果表明：炸药当量较小时，钢管混凝土的超压时程曲线的变化趋势与典型的爆炸冲击波超压时程曲线非常相近，试件均处于弹性状态，没有出现屈服。炸药当量较大时，随着炸药当量的增加，试件的跨中变形和残余变形均增大；提高钢管混凝土试件的含钢率可有效改善钢管混凝土柱的抗爆性能。

师燕超、李忠献等[7]等提出了钢筋混凝土柱基于竖向剩余承载力的一种新的破坏准则，并基于此准则，在大量有限元模拟和结果分析的基础上，提出一种通过数值模拟确定钢筋混凝土柱P-I曲线的简化方法，并对此法中的参数进行分析，结果表明增大柱深和提高混凝土轴心抗压强度以及提高箍筋配筋率均能显著降低钢筋混凝土柱在爆炸荷载作用下的损伤程度。

目前对于爆炸冲击荷载作用下，钢管混凝土构件的动态力学性能的研究主要是从两方面进行的:(1)试验研究，主要是针对钢管混凝土构件在中低速冲击荷载作用情况下和快速加载情况下的动态力学性能的研究;(2)数值模拟，主要是通过有限元分析软件建立有限元分析模型进而研究钢管混凝土构件在轴向、侧向爆炸冲击荷载作用下以及在内部爆炸冲击荷载作用下的动态响应。而研究钢管混凝土柱受冲击性能的试验方法主要有:(1)引爆炸药直接施加爆炸荷载;(2)利用落锤下落对构件施加冲击荷载;(3)利用轻气炮施加高速冲击荷载;(4)利用分离式霍普金森杆(简称SHPB)，对试验构件施加冲击荷载。对试验进行有限元数值模拟中，学者们较多地使用了LS-DYNA和ABAQUS。

三、防爆与防冲击的安全措施

设计抵御外来爆炸或冲击荷载的结构，首先是保护这些结构中的人员，在结构受到爆炸冲击的偶然作用，结构应能够承受这种作用;或者在结构体系发生局部垮塌后，依靠剩余结构体系仍能继续承载，避免发生大范围破坏或者连续倒塌。其次是尽量减少由爆炸产生的破片对建筑物之外人员的伤害。最后是应将进入该建筑物的冲击波效应尽量减少[8]。对由于过度变形而破坏的结构，其材料须按塑性状态破坏，关键的连接点必须充分利用被连接材料的强度。因为建筑物通常是为可能发生的意外事故而设计的，并非是为想象可能出现的最严重的事故而设计的，所以建筑物必然会出现超载情况下的逐渐破坏。

四、结语

钢管混凝土因其自身的特点，使其具有较好的经济效益，因此在工程中得以大量应用，它的应用前景依然广阔。尽管有众多学者对钢管混凝土做了大量科学研究，但是由于爆炸荷载及爆炸荷载作用下钢管混凝土动态力学性能的复杂性，国内外针对其爆炸荷载作用下的破坏模式、损伤评估均的试验研究很少，今后有待于更进一步的试验研究。当前冲击荷载对结构的影响日益突出的情况下，对钢管混凝土抗冲击性能的研究应更加深入，为制定更加健全、成熟的行业法规提供有力的支持，以保证建筑结构的安全。