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轴压比对钢管混凝土柱侧向冲击性能影响研究

康昌敏 王蕊 朱翔

康昌敏, 王蕊, 朱翔. 轴压比对钢管混凝土柱侧向冲击性能影响研究[J]. 工程力学, 2020, 37(S): 254-260. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.04.S047
引用本文: 康昌敏, 王蕊, 朱翔. 轴压比对钢管混凝土柱侧向冲击性能影响研究[J]. 工程力学, 2020, 37(S): 254-260. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.04.S047
Chang-min KANG, Rui WANG, Xiang ZHU. THE INFLUENCE OF AXIAL COMPRESSION RATIO ON THE LATERAL IMPACT PERFORMANCE OF CONCRETE FILLED STEEL TUBE COLUMNS[J]. Engineering Mechanics, 2020, 37(S): 254-260. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.04.S047
Citation: Chang-min KANG, Rui WANG, Xiang ZHU. THE INFLUENCE OF AXIAL COMPRESSION RATIO ON THE LATERAL IMPACT PERFORMANCE OF CONCRETE FILLED STEEL TUBE COLUMNS[J]. Engineering Mechanics, 2020, 37(S): 254-260. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.04.S047

轴压比对钢管混凝土柱侧向冲击性能影响研究

doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.04.S047
基金项目: 山西省应用基础研究项目-优秀青年基金项目(201701D211006);东南大学混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室开放课题项目(CPCSME2016-11)
详细信息
    作者简介:

    康昌敏(1994−),男,山西孝义人,硕士生,主要从事结构抗冲击研究(E-mail: 2102692235@qq.com)

    王 蕊(1979−),女,山西太原人,教授,博士,系主任,主要从事结构抗冲击研究 (E-mail: wangrui@tyut.edu.cn)

    通讯作者: 朱 翔(1987−),男,甘肃兰州人,副教授,博士,专业负责人,主要从事结构抗冲击、抗连续倒塌及抗震研究(E-mail: zhuxiang@sxu.edu.cn)
  • 中图分类号: TU398.9

THE INFLUENCE OF AXIAL COMPRESSION RATIO ON THE LATERAL IMPACT PERFORMANCE OF CONCRETE FILLED STEEL TUBE COLUMNS

  • 摘要: 为研究不同轴压比对钢管混凝土柱侧向冲击性能的影响,该文对已有的冲击试验进行了验证。在验证模型基础上建立了不同轴压比的钢管混凝土柱在侧向冲击作用下的动力有限元模型,计算得到连续变化轴压比下钢管混凝土的抗冲击性能参数。结果表明:轴压比对钢管混凝土的侧向抗冲击性能有显著影响。在轴压比小于0.7时,轴力对钢管混凝土构件侧向抗冲击能力有提高作用,当轴压比大于0.7时,轴力对钢管混凝土侧向抗冲击能力有削弱作用。
  • 图  1  轴力-冲击耦合作用流程图

    Figure  1.  Flow chart of axial-impact coupling action

    图  2  试验与模型对比

    Figure  2.  Comparison of test and simulation

    图  3  模型示意图

    Figure  3.  Model diagram

    图  4  冲击力时程曲线

    Figure  4.  Time histories of impact force

    图  5  挠度时程曲线

    Figure  5.  Time histories of lateral displacement

    图  6  冲击力平台值比值和跨中挠度比值与轴压比的关系曲线

    Figure  6.  Relationship curves of platform value, mid-span deflection and platform value

    图  7  弯矩(M)-轴力(N)相关曲线

    Figure  7.  Axial load (N) versus moment (M) interaction curves

    表  1  验证试件信息和结果

    Table  1.   Verify test piece information and results

    组别 试件编号 D×t0/(mm×mm) L/mm 轴压比 m/kg H/m FS,T/kN FS,FEA/kN ΔT/mm ΔFEA/mm 数据来源
    1 Pd1 100×2 1000 0.00 25.40 2.50 1.80 1.90 Zeinoddini等[10]
    Pd8 100×2 1000 0.25 25.40 2.50 3.00 2.90
    Pd3 100×2 1000 0.50 25.40 2.50 5.60 6.00
    2 DZF32 114×3.50 1200 0.00 229.80 1.00 102.00 112.66 17.00 16.08 王蕊等[9]
    DZF34 114×3.50 1200 0.30 229.80 1.00 127.60 127.56 15.90 15.34
    DZF33 114×3.50 1200 0.60 229.80 7.00 109.38 115.60
    3 STC1 114×2 1800 0.00 54.70 4.50 138.10 125.87 68.66 70.62 朱翔等[8]
    STC3 114×2 1800 0.30 54.70 4.50 128.00 102.95 72.26 81.14
    STC6 114×2 1800 0.50 54.60 4.50 110.70 90.88 81.43 88.97
    注:D为截面直径;t0为钢管厚度;L为试件有效长度;m为落锤质量,H为落锤高度;FS,T冲击力试验平台值;FS,FEA为冲击力模拟平台值;ΔT为跨中挠度试验值;ΔFEA为跨中挠度模拟值。
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    表  2  算例试件信息和结果

    Table  2.   Sample information and results

    试件编号 D×t0/(mm×mm) 试件长度L/m 冲击质量m/t 冲击速度V/(m/s) 轴压比n FMax/MN FStab/MN Δ/mm
    KFF0 900×30 9 10 22.22 0 55.87 3.96 219.03
    KFF1 0.1 57.91 5.78 179.39
    KFF2 0.2 61.76 5.82 176.53
    KFF3 0.3 57.57 5.95 176.74
    KFF4 0.4 58.30 5.52 180.94
    KFF5 0.5 63.32 4.90 189.54
    KFF6 0.6 62.95 4.54 205.17
    KFF7 0.7 64.35 3.96 228.07
    KFF8 0.8 60.09 3.34 268.61
    KFF9 0.9 56.34 2.42 355.40
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  • [1] 韩林海. 钢管混凝土结构-理论与实践 [M]. 北京: 科学出版社, 2017, 66 − 110.

    Han Linhai. Concrete-filled steel tubular structures-theory and application [M]. Beijing: Science Press, 2017, 66 − 110. (in Chinese)
    [2] 刘亚玲. 常见约束类型的钢管混凝土构件侧向冲击响应试验研究与数值分析 [D]. 山西: 太原理工大学, 2005.

    Liu Yalin. Experiment research and numerical analysis of lateral impact respond of steel tube-confined concrete at common type restrain [D]. Shanxi: Taiyuan University of Technology, 2005. (in Chinese)
    [3] 王蕊, 李珠, 任够平, 等. 钢管混凝土梁在侧向冲击荷载作用下动力响应的试验研究和数值模拟[J]. 土木工程学报, 2007, 40(10): 34 − 40. doi:  10.3321/j.issn:1000-131x.2007.10.006

    Wang Rui, Li Zhu, Ren Gouping, et al. Experimental study and numerical simulation of the dynamic response of concrete filled steel tubes under lateral impact load [J]. China Civil Engineering Journal, 2007, 40(10): 34 − 40. (in Chinese) doi:  10.3321/j.issn:1000-131x.2007.10.006
    [4] 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.

    Ren Gouping, Li Zhu, Wang Rui. The deflection of concrete filled steel tubular column under lateral impact at low speed [J]. Engineering Mechanics, 2008, 25(5): 170 − 175. (in Chinese)
    [5] 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. doi:  10.1016/j.engstruct.2008.04.003
    [6] Bambach M R. Design of hollow and concrete filled steel and stainless steel tubular columns for transverse impact loads [J]. Steel Construction, 2011, 49(10): 1251 − 1260.
    [7] 侯川川. 低速横向冲击荷载下圆钢管混凝土构件的力学性能研究 [D]. 北京: 清华大学, 2012.

    Hou Chuanchuan. Study on performance of circular concrete-filled steel tubular (CFST) members under low velocity transverse impact [D]. Beijing: Tsinghua University, 2012. (in Chinese)
    [8] 朱翔, 陆新征, 杜永峰, 等. 外包钢管加固RC柱抗冲击试验研究[J]. 工程力学, 2016, 33(6): 23 − 33.

    Zhu Xiang, Lu Xinzheng, Du Yongfeng, et al. Experimental study of impact resistance of reinforcedconcrete columns strengthened with steel jackets [J]. Engineering Mechanics, 2016, 33(6): 23 − 33. (in Chinese)
    [9] Walraven J C, Bigaj‐van Vliet A. The 2010 fib Model Code for Structural Concrete: a new approach to structural engineering [J]. Structural Concrete, 2011, 12(3): 139 − 147.
    [10] Wang R, Han L H, Hou C C. Behavior of concrete filled steel tubular (CFST) members under lateral impact: Experiment and FEA model [J]. Journal of Constructional Steel Research, 2013, 80(1): 188 − 201.
    [11] Zeinoddini M, Parke G A R, Harding J E. Axially pre-loaded steel tubes subjected to lateral impacts: an experimental study [J]. International Journal of Impact Engineering, 2002, 27(6): 669 − 690. doi:  10.1016/S0734-743X(01)00157-9
    [12] GB 50936―2014, 钢管混凝土结构技术规范 [S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2014.

    GB 50936―2014, Technical code for concrete filledsteel tubular structures [S]. Beijing: China Architecture& Building Press, 2014. (in Chinese)
    [13] GB 50017―2003, 钢结构设计规范 [S]. 北京: 中国计划出版社, 2006.

    GB 50017―2003, Code for design of steel structures [S]. Beijing: China Planning Press, 2006. (in Chinese)
  • [1] 王怀忠.  轴向冲击作用下空心钢管混凝土桩应力波解析解 . 工程力学, 2017, 34(4): 101-107. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.09.0793
    [2] 朱张峰, 郭正兴.  不同轴压比新型混合装配式混凝土剪力墙抗震性能试验研究 . 工程力学, 2016, 33(12): 143-149,166. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.05.0367
    [3] 程小卫, 李易, 陆新征, 闫维明.  撞击荷载下钢筋混凝土柱动力响应的数值研究 . 工程力学, 2015, 32(2): 53-63,89. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2014.03.0229
    [4] 李海锋, 罗永峰, 李德章, 丁大益.  反复水平荷载作用下偏心常轴压箱形钢柱抗震性能的数值分析 . 工程力学, 2013, 30(6): 98-106. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.01.0047
    [5] 王帅, 徐亚丰.  端部约束对爆炸荷载作用下钢骨-钢管混凝土柱动力响应的影响 . 工程力学, 2013, 30(增刊): 290-293. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.04.S088
    [6] 王新征, 李萍, 杨文喜, 王峰超, 袁晓宁.  侧向冲击下钢管混凝土构件损伤演化数值分析 . 工程力学, 2013, 30(增刊): 267-272. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.06.S098
    [7] 王蕊, 裴畅.  热轧H型钢梁在侧向冲击荷载作用下动力响应的参数分析 . 工程力学, 2013, 30(增刊): 258-262. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.05.S078
    [8] 许斌, 陈俊名, 许宁.  钢筋混凝土剪力墙应变率效应试验与基于动力塑性损伤模型的模拟 . 工程力学, 2012, 29(1): 39-45,6.
    [9] 于 璐 徐亚丰.  十字形钢管混凝土芯柱在不同约束条件下侧向冲击作用的动力响应分析 . 工程力学, 2012, 29(增刊Ⅱ): 201-204. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.04.S061
    [10] 白 亮, 梁兴文, 邓博团.  不同参数型钢高性能混凝土剪力墙抗震性能研究 . 工程力学, 2011, 28(7): 151-156.
    [11] 何思明, 沈 均, 罗 渝, 吴 永.  滚石坡面法向冲击动力响应特性研究 . 工程力学, 2011, 28(6): 118-124.
    [12] 张国军;杜晓琴;刘建新;王红囡.  高轴压比高强混凝土足尺框架柱的破坏形态分析 . 工程力学, 2009, 26(增刊 I): 89-093.
    [13] 李 珠;王 兆;王 蕊.  侧向冲击荷载作用下 两端固定钢管混凝土构件的试验研究 . 工程力学, 2009, 26(增刊 I): 167-170,.
    [14] 张建伟, 曹万林, 王志惠, 杨亚彬.  高轴压比下内藏桁架的混凝土组合中高剪力墙抗震性能研究 . 工程力学, 2008, 25(增刊Ⅱ): 158-163,.
    [15] 李永华, 桂国庆, 梁安宁, 李思明.  不等肢混凝土异形柱轴压比与配箍特征值关系研究 . 工程力学, 2008, 25(7): 0-158.
    [16] 任够平, 李 珠, 王 蕊.  低速侧向冲击下钢管混凝土柱挠度研究 . 工程力学, 2008, 25(5): 0-175.
    [17] 王蕊, 李珠, 任够平, 李永刚, 张善元.  侧向冲击载荷作用下钢管混凝土梁动力响应的实验和理论研究 . 工程力学, 2008, 25(6): 0-080,.
    [18] 任够平, 刘 斌, 王瑞峰, 李 珠.  钢管混凝土构件在侧向冲击载荷作用下的挠度分析 . 工程力学, 2007, 24(增刊Ⅱ): 0-194.
    [19] 李忠献.  钢筋混凝土分体柱理论与技术 . 工程力学, 2005, 22(S1): 127-141.
    [20] 胡八一, 柏劲松, 张明, 成伟.  球形爆炸容器动力响应的强度分析 . 工程力学, 2001, 18(4): 136-139.
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-04-25
  • 修回日期:  2019-12-27
  • 网络出版日期:  2020-06-01
  • 刊出日期:  2020-06-01

轴压比对钢管混凝土柱侧向冲击性能影响研究

doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.04.S047
    基金项目:  山西省应用基础研究项目-优秀青年基金项目(201701D211006);东南大学混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室开放课题项目(CPCSME2016-11)
    作者简介:

    康昌敏(1994−),男,山西孝义人,硕士生,主要从事结构抗冲击研究(E-mail: 2102692235@qq.com)

    王 蕊(1979−),女,山西太原人,教授,博士,系主任,主要从事结构抗冲击研究 (E-mail: wangrui@tyut.edu.cn)

    通讯作者: 朱 翔(1987−),男,甘肃兰州人,副教授,博士,专业负责人,主要从事结构抗冲击、抗连续倒塌及抗震研究(E-mail: zhuxiang@sxu.edu.cn)
  • 中图分类号: TU398.9

摘要: 为研究不同轴压比对钢管混凝土柱侧向冲击性能的影响,该文对已有的冲击试验进行了验证。在验证模型基础上建立了不同轴压比的钢管混凝土柱在侧向冲击作用下的动力有限元模型,计算得到连续变化轴压比下钢管混凝土的抗冲击性能参数。结果表明:轴压比对钢管混凝土的侧向抗冲击性能有显著影响。在轴压比小于0.7时,轴力对钢管混凝土构件侧向抗冲击能力有提高作用,当轴压比大于0.7时,轴力对钢管混凝土侧向抗冲击能力有削弱作用。

English Abstract

康昌敏, 王蕊, 朱翔. 轴压比对钢管混凝土柱侧向冲击性能影响研究[J]. 工程力学, 2020, 37(S): 254-260. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.04.S047
引用本文: 康昌敏, 王蕊, 朱翔. 轴压比对钢管混凝土柱侧向冲击性能影响研究[J]. 工程力学, 2020, 37(S): 254-260. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.04.S047
Chang-min KANG, Rui WANG, Xiang ZHU. THE INFLUENCE OF AXIAL COMPRESSION RATIO ON THE LATERAL IMPACT PERFORMANCE OF CONCRETE FILLED STEEL TUBE COLUMNS[J]. Engineering Mechanics, 2020, 37(S): 254-260. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.04.S047
Citation: Chang-min KANG, Rui WANG, Xiang ZHU. THE INFLUENCE OF AXIAL COMPRESSION RATIO ON THE LATERAL IMPACT PERFORMANCE OF CONCRETE FILLED STEEL TUBE COLUMNS[J]. Engineering Mechanics, 2020, 37(S): 254-260. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.04.S047
  • 钢管混凝土柱由于其优秀的结构性能和施工性能[1],越来越多的被应用到高层建筑、桥梁桥墩和输电塔等结构。在实际应用中,钢管混凝土柱通常作为结构的重要的承重构件,特别适合用于轴心受压和小偏心受压构件中[1]。但是,结构在服役周期内不可避免的会遭受撞击,例如轮船、车辆撞击桥墩等[1],而作为重要承重构件的钢管混凝土柱在撞击作用下可能会造成严重损害,甚至会丧失承载力,造成结构的连续倒塌。因此,钢管混凝土柱的抗冲击性能已被广泛的关注和研究。

    国内外研究者对钢管混凝土柱的抗冲击性能研究较多。刘亚玲[2]对钢管混凝土构件在侧向冲击下的动力响应进行了分析研究;王蕊等[3-4]研究表明钢管混凝土试件具有良好的抗冲击能力,支座约束类型和约束套箍系数是影响钢管混凝土柱侧向抗冲击能力的重要因素,Bambach等[5-6]通过实验和模拟的方法比较了钢管混凝土构件在静力和冲击荷载下的力学性能,有限元模型可以很好的预测构件在冲击荷载下的力学行为。侯川川[7]进行了圆钢管混凝土梁的横向冲击试验研究,并建立了钢管混凝土构件在侧向冲击作用下的有限元模型,对钢管混凝土在侧向冲击作用下的主要参数进行了参数分析,在参数分析的基础上,提出了构件截面动力抗弯强度系数。朱翔等[8]用三种不同的有限元分析软件对外包钢管加固RC柱抗冲击试验进行了模拟分析,分析结果表明,ABAQUS建立的有限元模型与试验结构吻合最好。对于轴向荷载作用下钢管混凝土抗冲击性能的研究很少,但实际工程中,大部分钢管混凝土柱都在承受轴向压力,轴向荷载对钢管混凝土构件冲击作用下的力学性能有很大影响。因此,对于钢管混凝土柱在不同轴压下的抗冲击性能研究有待深入。

    本文利用有限元软件ABAQUS对连续变化轴压比下钢管混凝土构件在侧向冲击荷载作用下的动力响应进行了数值模拟,通过对试件预先施加不同轴力,得到不同轴压比下钢管混凝土构件在承受侧向冲击荷载后的动力响应情况。通过数值模拟分析,得到轴压比对钢管混凝土抗侧向冲击性能的影响,对钢管混凝土柱的抗冲击性能的设计和工程应用具有重要意义。

    • 本文基于ABAQUS建立了不同轴压比下钢管混凝土柱侧向冲击下的有限元模型。模型中钢管、盖板、落锤和混凝土均采用8节点减缩积分格式的三维实体单元(C3D8R),落锤通过总质量和计算体积相比得出其质量密度。模型中所有接触界面的法线方向均采用硬接触,钢管与混凝土接触界面切线方向采用库伦摩擦,摩擦系数采用韩林海[1]建议的0.6;落锤与钢管接触界面切线方向采用库伦摩擦,摩擦系数为0。

      为提高计算效率,模型中将落锤放置于试件正上方2 mm处,并为落锤定义初速度的方法施加冲击荷载,并对整个模型施加重力加速度。为保证模拟仿真效果,用网格收敛法进行网格收敛研究,局部网格加密,确定合适的网格密度。

      材料方面,钢材单轴应力-应变关系采用五段式[1]本构模型,在低速冲击荷载作用下,钢材屈服强度和极限强度随应变率的增加而增加,本文采用Cowper-Symonds模型计算不同应变率下钢材屈服强度,如式(1)所示:

      $$ \frac{{f_{\rm{y}}^{\rm{d}}}}{{{f_{\rm{y}}}}} = 1 + {\left( {\frac{{\dot \varepsilon }}D} \right)^{\left( {1/{p}} \right)}} $$ (1)

      式中: $f_{\rm{\;y}}^{\rm d} $ 是钢材是在应变率为 $ {\dot \varepsilon }$ 时的屈服强度;fy为钢材屈服强度。本文在进行冲击模拟时,冲击能量较大,钢材所处的应变比较大,钢材极限强度得到提高,参数D取为6844 s−1p取3.91。

      混凝土采用塑性损伤模型,其中混凝土单轴受压和受拉应力-应变曲线采用文献[1]的模型,模型考虑了外钢管对核心混凝土约束效应造成混凝土塑性性能的影响。混凝土的应变率效应通过混凝土强度放大系数DIF(动力强度/静力强度)来表示,该强度系数在CEB[11]模型基础上改进得来,其中混凝土受压强度系数CDIF为式(2):

      $$ {\rm{CDIF}} = \frac{{{f_{\rm d}}}}{{f}_{\rm {\;c}}'} = {\left( {\mathop {{\dot \varepsilon _{\rm d}}} /\mathop {{\dot \varepsilon _{\rm s}}} } \right)^{1.026\alpha }}\;,\;\mathop {{\dot \varepsilon _{\rm d}}} \leqslant 30\;{{\rm{s}}^{ - 1}} $$ (2)

      式中: $ {f_{\rm d}}/{\rm MPa}$ 为应变率为 $\mathop {{\dot \varepsilon _{\rm d}}}$ 时混凝土动力抗压强度, $ {f'_{\rm {\;c}}} = {f_{{\rm ck}}} + 8\;{\rm MPa}$ fck为混凝土轴心抗压强度; $\mathop {{\dot \varepsilon _{\rm s}}} = - 30 \times {10^{ - 6}}\;{{\rm s}^{ - 1}}$ 为混凝土静态应变率值; $ {\rm{\alpha }} = 1/\left( {5 + 9{{f}_{\rm c}'}/{f_{\rm co}}} \right)$ $ {f_{\rm co}} = 10\;{\rm MPa}$ 。混凝土抗拉强度增大系数TDIF为式(3):

      $$ \begin{split} &{\rm{TDIF}} = \frac{{{f_{\rm td}}}}{{{f_{\rm t}}}} = {\left( {\mathop {{\dot \varepsilon _{\rm d}}} /\mathop {{\dot \varepsilon _{\rm{s}}}} } \right)^\delta }, \;\;\;\;\;\;\;\mathop {{\dot \varepsilon _{\rm d}}} \leqslant 1\;{{\rm s}^{ - 1}}\\& {\rm{TDIF}} = \frac{{{f_{\rm td}}}}{{{f_{\rm t}}}} = \beta {\left( {\mathop {{\dot \varepsilon _{\rm d}}} /\mathop {{\dot \varepsilon _{\rm s}}} } \right)^{1/3} }, \;\;\mathop {{\dot \varepsilon _{\rm d}}} > 1\;{{\rm s}^{ - 1}} \end{split} $$ (3)

      式中:ftd为应变率 ${\mathop {{\dot \varepsilon _{\rm d}}} }$ 时混凝土动力抗拉强度, ${\mathop {{\dot \varepsilon _{\rm d}}} }$ 的取值范围为10 s−1~160 s−1ft为应变率为 ${\mathop {{\dot \varepsilon _{\rm s}}} }$ =1×10−6s−1时混凝土静力抗压强度; $ \log \beta = 6{\rm{\delta }} - 2$ $ {\rm{\delta }} = 1/\left( {1 + 8{{f}_{\rm c}'}/{f_{\rm co}}} \right)$ $ {f_{\rm co}} = 10\;{\rm MPa}$

    • 为真实模拟轴力的影响,模型的建立采用轴力-冲击耦合方式,模拟过程如图1所示。因为轴力为静力荷载,采用ABAQUS/Standard模块计算,材料采用静力荷载下的本构模型,钢管与混凝土之间采用表面与表面接触(Surface to Surface Contact)。试件在冲击过程中会发生侧向变形,为保证轴力在冲击过程中基本保持不变,保证轴力的卸载在可控范围内,加载时采用位移控制方法,控制弹簧单元轴向位移,并将计算结果保存为*Restart文件。

      图  1  轴力-冲击耦合作用流程图

      Figure 1.  Flow chart of axial-impact coupling action

      然后采用*Input命令将轴力计算结果(*Restart)文件导入到冲击模型中,因为冲击力为动力荷载,采用ABAQUS/Explict模块计算,为模型重新定义材料属性,接触关系和边界条件。模型中材料采用动力荷载下的本构模型,接触条件改为通用接触(General Contact),并重新在试件端部设置弹簧单元,采用平滑振幅的方法为构件重新施加位移,注意在重新施加弹簧位移时,弹簧压缩量取值为Δaδa,其中δa为上一步施加轴力后构件轴向压缩量。

    • 为验证本文中建模方法的正确性,利用已有的轴力−冲击试验数据对本模型进行验证。验证内容包括冲击力时程曲线和跨中挠度时程曲线。

      选取文献[8-10]中部分施加轴力试件进行对比验证,表1为试件信息和部分模拟和试验结果,其中组1为空心钢管试件,组2位钢管混凝土试件,组3为外包钢管RC柱。因为组1中试件为空心钢管试件,不存在明显的平台值,所以表中以“−”表示,组2中DZF33试件因为钢管发生断裂,试件变形过大,碰触到刚性平台,也不存在平台段,表中以“−”表示。

      表 1  验证试件信息和结果

      Table 1.  Verify test piece information and results

      组别 试件编号 D×t0/(mm×mm) L/mm 轴压比 m/kg H/m FS,T/kN FS,FEA/kN ΔT/mm ΔFEA/mm 数据来源
      1 Pd1 100×2 1000 0.00 25.40 2.50 1.80 1.90 Zeinoddini等[10]
      Pd8 100×2 1000 0.25 25.40 2.50 3.00 2.90
      Pd3 100×2 1000 0.50 25.40 2.50 5.60 6.00
      2 DZF32 114×3.50 1200 0.00 229.80 1.00 102.00 112.66 17.00 16.08 王蕊等[9]
      DZF34 114×3.50 1200 0.30 229.80 1.00 127.60 127.56 15.90 15.34
      DZF33 114×3.50 1200 0.60 229.80 7.00 109.38 115.60
      3 STC1 114×2 1800 0.00 54.70 4.50 138.10 125.87 68.66 70.62 朱翔等[8]
      STC3 114×2 1800 0.30 54.70 4.50 128.00 102.95 72.26 81.14
      STC6 114×2 1800 0.50 54.60 4.50 110.70 90.88 81.43 88.97
      注:D为截面直径;t0为钢管厚度;L为试件有效长度;m为落锤质量,H为落锤高度;FS,T冲击力试验平台值;FS,FEA为冲击力模拟平台值;ΔT为跨中挠度试验值;ΔFEA为跨中挠度模拟值。
    • 图2为冲击力和挠度时程曲线的试验和模拟对比结果,结合表1图2可知:模拟的冲击力时程曲线与试验结果在整体趋势上保持一致,且冲击力峰值、冲击力平台值和冲击持续时间基本吻合;模拟的跨中挠度值与试验结果误差在10%以内,从整体模拟效果上看,本文建立的有限元模型能够较好的模拟钢管混凝土在侧向冲击作用下的动力响应情况。

      图  2  试验与模型对比

      Figure 2.  Comparison of test and simulation

    • 采用上述建模方法,本文根据参考相应规范[12-13]设计了不同轴压比下大尺寸钢管混凝土柱的冲击模型,构件基本尺寸为长度L=9000 mm,直径D=900 mm,钢管壁厚t=30 mm,含钢率α=0.148,约束效应系数ξ=1.91,混凝土强度fcu=40 MPa,钢材屈服强度fy=345 MPa。刚性撞击体截面尺寸为1000 mm×600 mm,质量为10 t,撞击速度为22.22 m/s。构件信息及部分模拟结果如表2所示,本文设定钢管混凝土的强度承载力采用文献[1]提供的计算公式:

      $$ {N_{\rm u}} = {A_{{\rm{sc}}}} \times {f_{\rm scy}} $$ (4)

      式中, $ {f_{\rm scy}} = \left( {1.14 + 1.02\xi } \right) \times {f_{\rm ck}}$ $ {\rm{\xi }} = {\rm{\alpha }} \times \dfrac{{{f_{\rm y}}}}{{{f_{\rm ck}}}}$ fck是混凝土轴心抗压强度标准值。对于普通强度混凝土,fck=0.67fcu。建立冲击模型如图3所示。

      图  3  模型示意图

      Figure 3.  Model diagram

      表 2  算例试件信息和结果

      Table 2.  Sample information and results

      试件编号 D×t0/(mm×mm) 试件长度L/m 冲击质量m/t 冲击速度V/(m/s) 轴压比n FMax/MN FStab/MN Δ/mm
      KFF0 900×30 9 10 22.22 0 55.87 3.96 219.03
      KFF1 0.1 57.91 5.78 179.39
      KFF2 0.2 61.76 5.82 176.53
      KFF3 0.3 57.57 5.95 176.74
      KFF4 0.4 58.30 5.52 180.94
      KFF5 0.5 63.32 4.90 189.54
      KFF6 0.6 62.95 4.54 205.17
      KFF7 0.7 64.35 3.96 228.07
      KFF8 0.8 60.09 3.34 268.61
      KFF9 0.9 56.34 2.42 355.40
    • 冲击力值和挠度值是钢管混凝土柱抗冲击研究中常用的两个指标。图4给出不同轴压下侧向冲击钢管混凝土的冲击力时程曲线,图5为跨中挠度时程曲线。结合表2知,不同轴压比下,冲击力峰值变化幅度不大;从图4(a)可以看出,轴压比n=0.3时,冲击力作用时间变短,冲击力平台值由3.96 MN提升至5.95 MN,增长约50%,试件最大挠度由219.03 mm减小至176.74 mm,减小约19%,说明轴力的施加可以增强构件截面抗弯强度,提高其截面抗冲击能力;轴压比n=0.7,冲击力作用时间、冲击力平台值与无轴压时相同,挠度增加约4%,零值段时间持续缩短,说明轴压比为0.7时,其抗冲击能力与无轴压时基本相同;当轴压比为0.9时,冲击力作用时间增加,冲击力平台值相比无轴压时降低39%并趋于某一固定值附近,同时跨中挠度增长约62%,说明轴压比为0.9时,试件截面抗弯强度减小,抗冲击能力急剧减弱。

      图  4  冲击力时程曲线

      Figure 4.  Time histories of impact force

      图  5  挠度时程曲线

      Figure 5.  Time histories of lateral displacement

    • 轴压比是影响钢管混凝土柱侧向抗冲击能力的重要参数[9]图6为钢管混凝土构件在不同轴压比下冲击力平台值和跨中挠度峰值与轴压比n=0的比值关系。结果表明,轴压比为0.7是钢管混凝土侧向抗冲击能力的重要临界点,当轴压小于0.7时,冲击力平台值比无轴压时大,跨中挠度比无轴压时减小,轴力的施加对钢管混凝土的侧向抗冲击能力有提高作用,这是由于轴向力的施加,会提高钢管混凝土试件截面抗弯强度提高;当轴压比大于0.7时,冲击力平台值迅速降低,跨中挠度迅速增加,此时轴向力对钢管混凝土抗侧向撞击能力有削弱作用。图7给出钢管混凝土弯矩(M)-轴力(N)相关曲线可以解释此现象,在轴向压力较低时,钢管混凝土构件的抗弯承载力随轴力的增大而提高,在达到A点后,轴向压力对钢管混凝土抗弯承载力的贡献减弱,从C点以后,随着轴向压力的增大,钢管混凝土构件的抗弯承载力降低,轴力对钢管混凝土构件抗弯承载力有削弱作用。

      图  6  冲击力平台值比值和跨中挠度比值与轴压比的关系曲线

      Figure 6.  Relationship curves of platform value, mid-span deflection and platform value

      图  7  弯矩(M)-轴力(N)相关曲线

      Figure 7.  Axial load (N) versus moment (M) interaction curves

    • 本文利用ABAQUS有限元分析软件建立了钢管混凝土受侧向冲击作用的有限元模型,并与已有文献的试验进行了对比验证,在模型验证可行的基础上,对连续变化轴压比下钢管混凝土构件抗侧向冲击性能进行了分析研究,对于此类构件,可以得出以下结论:

      (1)轴力较小时,冲击力平台值随轴力的增大而增大,而跨中挠度随轴力的增加而减小;当轴力增加到一定量后,冲击力平台值随轴力增大而减小,而跨中挠度值随轴力的增大而增大;轴力变化对冲击力峰值影响不大。

      (2)轴力对钢管混凝土的抗冲击性能有重要影响,且轴压比为0.7是此类钢管混凝土侧向抗冲击能力的重要分界点。当轴压小于0.7时,轴向力对钢管混凝土的抗撞击性能有提高作用;当轴压比大于0.7时,轴力对钢管混凝土的抗冲击性能有削弱作用。

参考文献 (13)

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