钢管混凝土结构抗冲击承载力研究综述

钢管混凝土结构抗冲击承载力研究综述

田江平

(1.武汉正华建筑设计有限公司)

摘要：钢管混凝土结构因具有一系列优良的特性而被广泛应用于工业与民用建筑当中，其在使用过程中不可避免的会受到冲击荷载的作用，车辆撞击高架桥墩，建筑物遭受车辆对该结构具有巨大的危害性。因此，研究钢管混凝土结构在冲击荷载作用下的承载力意义重大。本文总结了相关学者对钢管混凝土结构在冲击荷载作用下的研究，并进行了展望，提出了一些新的研究方向。

关键词：钢管混凝土；冲击荷载;承载力;展望

中图分类号：TE973文献标志码：A

Study on Impact Bearing Capacity of Concrete Steel Pipe Structure

Tian Jiangping1

(1.Wuhan Zhenghua Architectural Design Co., LTD)

Abstract:Concrete filled steel tube structure is widely used in industrial and civil buildings because of a series of excellent characteristics, it will inevitably be used in the process of impact load, the vehicle hits the viaduct pier, the building has great harm to the structure.Therefore, it is of great significance to study the bearing capacity of concrete filled steel tube structure under the impact load.This paper summarizes the research of CFRP structure under the impact load, and proposes some new research directions.

Keywords: concrete filled steel pipe; impact load; bearing capacity; outlook

引言：钢管混凝土结构是一种由钢管包裹，压缩紧密的混凝土构件。钢管对混凝土有保护作用,在外荷载作用下，可降低混凝土的开裂程度，提高其变形性能，同时，混凝土为外部荷载下钢管屈曲失效提供内部支撑，二者优势互补。钢管混凝土结构在使用过程中可能受到动力荷载的作用。例如，桥梁的桥墩被船只撞击，建筑物遭受车辆撞击及地震作用等。尤其是冲击荷载会对结构造成重大危害，使结构产生严重的局部变形，甚至丧失承载力。当冲击载荷作用在结构上时，会引起结构的瞬时响应，结构的动力响应主要表现在变形、冲击力和应变等方面。结构在冲击这类动荷载的作用下会表现出复杂的非线性行为，同时材料应变率对结构力学性能具有较大的影响，这与静荷载的作用机理截然不同。如果在设计中采取等效静力荷载的方法，可能会因没有考虑结构本身的动态响应特性而使计算结果产生较大的误差，因此，研究结构在动荷载作用下的承载力是必要且具有现实意义的。

1.钢管混凝土的特点：

（1）钢管混凝土结构的突出特点是承载能力高。通过钢管与混凝土的协同作用，充分发挥了这两种材料的优势，这样大幅度提高了钢管混凝土结构的抗压和抗剪承载力。

（2）钢管混凝土结构的操作十分简便，能够有效提高工程进度。与传统施工工艺不同，钢管混凝土结构省略了钢筋绑扎和模板浇筑等繁琐步骤，较大程度简化了施工工序，同时节省了人力物力资源。

（3）钢管混凝土结构的耐火性能好。当结构在高温作用下时，混凝土能够吸收一部分热量，有效避免了结构的快速升温，而当钢材因高温屈服后，混凝土依旧能够承受荷载，防止结构整体倾覆，同时钢管降低了混凝土的开裂程度。

（4）钢管混凝土结构的抗震性能好。当混凝土的强度较高时，其变形能力减弱，脆性增大，在使用阶段中极易出现开裂现象。在钢管混凝土结构中，钢管对混凝土有保护作用,在外荷载作用下，可降低混凝土的开裂程度，增强了其抵抗破坏的变形能力。

2. 钢管混凝土结构的研究进展：

动力荷载作用下钢管混凝土结构中的混凝土处于受拉和受压状态，受力性能较为复杂。为研究钢管混凝土与普通钢管力学性能的区别，Han等[1]对圆钢管混凝土构件和空心钢管进行了冲击试验，并建立了钢管混凝土构件在冲击荷载作用下的有限元计算模型。然后利用有限元模型对构件的动力学性能进行分析，得出构件的应变曲线以及内力分布情况。

Xiao等[2]对钢管混凝土和素混凝土柱的轴向冲击性能进行了研究。研究发现，在相同加载工况下，素混凝土构件完全被压碎，损坏程度比较大，而钢管混凝土构件没有发生较大的变形，核心混凝土损伤较小，外部钢管未出现明显的屈曲，损坏程度较小，表明钢管混凝土构件抗冲击荷载能力要远远强于素混凝土构件。

Qu等[3]利用ANSYS中的LS-DYNA显示动力学分析模块对两端边界条件为完全固定的钢管混凝土构件进行动力加载模拟，并进行了参数分析，探究了不同作用工况对构件力学性能的影响。

Bambach等[4,5]从试验和数值模拟两个角度展开了对钢管混凝土构件的动力特性的研究。试验现象表明，在冲击荷载作用下，钢管混凝土构件的支座处以及跨中产生了塑性铰，而其余部位未产生严重变形；数值模拟结果与该结论基本一致，能够合理的分析构件的动力学行为。

张晨等[6]研究了钢管混凝土梁在冲击荷载作用下的动力响应，通过试验获得了构件的相关力学参数。结果表明，在该工况作用下，钢管混凝土梁不但具有较强的抗冲击性能，而且具有较强的塑性变形能力。

为研究混合边界对钢管混凝土柱力学性能的影响，任够平等[7]进行了横向冲击加载试验。分析结果表明：钢管混凝土柱在冲击荷载作用下的主要破坏形式为弯曲变形，当构件发生破坏后仍具有较高的塑性和延性；构件跨中的残余变形和冲击能量具有线性关系，而与两端支座约束强度的变化呈反比。

李珠等[8]通过试验发现钢管混凝土构件在承受冲击荷载时，塑性变形能力良好，表明构件比其它结构更能抵抗冲击力的作用，当冲击能量加强后，材料的屈服强度有所提高，这为研究钢管混凝土结构的力学性能提供了参考依据。

王蕊等[9]通过试验研究了构件在多工况共同作用下的力学性能，试验结果表明：当钢管混凝土构件受轴力作用时，并没有出现明显的冲击力平台阶段。

3.总结与展望

近年来，钢管混凝土结构的动力承载能力受到了重点关注。本文通过整理相关文献，综述了相关研究进展。其中的一些方面可以进行更加深入的探讨，主要如下：

（1）实际的钢管混凝土结构在服役期间往往会承受轴向约束力，现阶段的研究中鲜有考虑。因此，接下来可以从该角度出发，实现轴力和冲击力的共同加载，探究该组合工况作用下构件的力学性能。

（2）在实际发生的撞击事故中，钢管混凝土柱有可能并没有完全被破坏，还存在部分承载力，因此有必要对构件的剩余承载力进行评估，实现在修复后能继续使用的目的。目前的研究中没能对构件的剩余承载力进行更深入的探讨，也未提出构件受冲击荷载作用后的修复和加固方案。

（3）研究中构件所处的边界条件为固定和简支，但在实际工程中，构件的约束条件不仅仅是纯粹的固定或者简支，难以使用一种形式描述，因此需要研究各种边界组合作用下构件的力学性能。

参考文献：

[1] Han L H, Hou C C, Zhao X L, et al. Behaviour of high-strength concrete filled steel tubes under transverse impact loading[J]. Journal of Constructional Steel Research.2014,92: 25-39.

[2] Xiao Y, Shan J H, Zheng Q, et al. Experimental studies on concrete filled steel tubes under high strain rate loading[J]. Journal of Materials in Civil Engineering, 2009, 21(10): 569-577.

[3] Qu H Y, Li G Q, Sun J Y, et al. Numerical analysis of circular concrete-filled steel tube specimen under lateral impact[J]. Proceedings of 4th International Conference on Protection of Structures Against Hazards, Beijing, 2009: 309-318.

[4] Bambach M R, Jama H, Zhao X L, et al. Hollow and concrete filled steel hollow sections under transverse impact loads[J]. Engineering Structures, 2008, 30(10): 2859-2870.

[5] Bambach M R. Design of hollow and concrete filled steel and stainless steel tubular columns for transverse impact loads[J]. Thin-Walled Structures, 2011, 49(10): 1251-1260.

[6] 张晨,徐勋倩.轴向冲击荷载作用下钢管混凝土短柱有限元分析[J]. 四川建筑科学研究

, 2011, 37(04): 30-33.

[7] 任够平，李珠，王蕊.低速侧向冲击下钢管混凝土柱挠度研究[J].工程力学，2008，25（5）：170-175. 

[8] 李珠，王瑞峰.固简支钢管混凝土构件侧向冲击试验研究[J].工程力学，2008，25(增刊 I)：193-197.

[9] 王蕊，裴畅，李珠，等.轴压比对圆钢管混凝土柱抗侧向冲击性能影响的实验研究 [C]. Intelligent Information Technology Application Association: 智能信息技术应用学会, 2011，6：7-12.

第一作者简介: 田江平，生于 1993年，2020年毕业于长江大学建筑与土木工程专业，现为结构设计师。地址: ( 430014)湖北省武汉市。E-mail: 772381105@ qq. com。