钢管混凝土结构构件抗爆炸冲击荷载特性研究

【摘要】钢管混凝土结构构件具有承载力高、韧性好、制作和施工方便等优点，在现代工程建筑结构中已广泛应用，研究钢管混凝土结构构件的抗爆性能具有十分重要的现实意义本文对钢管混凝土结构构件在爆炸冲击荷载作用下的动力响应特性进行了系统研究。并通过对钢管混凝土结构构件组成材料的动力特性、纯弯构件的力学性能和爆炸空气冲击波作用原理的分析，结合等效单自由度体系理论，建立了钢管混凝土纯弯构件在爆炸冲击荷载作用下动力响应的数值解法且结果表明：在相同爆炸冲击荷载作用下，随着钢管壁厚的增加构件的应变峰值减小，且到达峰值的时间增长；相同壁厚的构件在不同爆炸冲击荷载作用下，随着药量的增加构件应变峰值增大，且构件应变持续时间越长。

【关键词】爆炸冲击；钢管混凝土；动力响应；应变；挠度

在通常的实际应用中，钢管混凝土结构构件的承载大多为静态或准静态问题，即外荷载恒定或是缓慢地施加到结构或构件上去，相应变形的产生非常缓慢，从而不必考虑构件或结构在变形过程中的加速度和惯性力，压力-时间曲线可以简化为线性问题来处理。但是，在工程实际中还会遇到动态冲击问题。

一、钢管混凝土结构构件组成材料的动力特性

应变速率是指构件内任一点在单位时间内发生的应变。爆炸冲击荷载对建筑物的作用过程属于典型的快速加载过程，结构材料在爆炸冲击荷载作用下经受毫秒级的快速变形，其应变速率可达102～103 s−1，而常规静荷载材料试验的应变速率约为10-5 s，两种情况下应变速率相差很大。材料的动力快速加载试验研究表明，随着应变速率的提高，材料内部发生了一系列物理和化学变化，力学特性主要表现为应力—应变关系更为复杂。一些特征参数，如延性、强度、弹性模量、内聚力和阻尼比均有不同程度的变化。因此，应变速率的影响对确定爆炸冲击荷载作用下结构材料的动力特性至关重要。在现代建筑结构中，最常使用的两种结构材料是钢材和混凝土，所以钢材和混凝土的动力特性一直是抗爆设计研究的热点，因此本节主要讨论这两种材料的动力特性。

二、纯弯构件的力学性能

通常，当构件承受横向荷载作用时，横截面上既有弯矩又有剪力，因而既有正应力又有切应力，这种情况称为横力弯曲。由于切应力的存在，横截面不能再保持为平面。同时，横力弯曲下，往往也不能保证纵向纤维之间没有正应力。因此，所作的平面假设对横力弯曲时不成立。但按弹性理论分析的结果，在均布荷载作用下矩形或圆形截面的固支或简支梁，当其跨长 l 与截面高度 h 之比 l/h 大于 5 时，横截面上的最大正应力按纯弯曲理论计算，其误差不超过 1%。对于工程实际中常用的梁，应用纯弯曲理论的正应力计算公式，计算梁在横力作用下横截面上的正应力，所得的结果虽略偏低一些，但足以满足工程精度要求，且梁的跨高比 l/h 越大，其误差越小。因此，本文采用纯弯构件理论对钢管混凝土结构构件进行抗爆分析。研究钢管混凝土纯弯构件的力学性能，合理地确定钢管混凝土组合抗弯模量和组合抗弯刚度等力学指标，是进行钢管混凝土结构构件受力分析的重要前提之一。

三、爆炸空气冲击波作用原理的分析

爆炸荷载作用下构件的响应特性属于典型的动力学问题。荷载作用通常是一次性的，持续时间非常短，强度却很高，同时由于荷载本身的一些特征参数往往是根据多次试验综合确定的，具有一定的误差。因此，在进行抗爆结构的动力分析时，通常采用具有合理精度的近似动力学分析方法。确定结构构件的变形方法很多，如刚体—塑性分析法、等效荷载法、单自由度体系法、振型叠加分析法等。但是由于爆炸空气冲击波荷载、边界条件和材料本构关系的复杂性，这些方法在实际应用中受到限制，而 Biggs 和Norris 等利用能量守恒原理提出的等效单自由度体系理论，能够较为合理地解决爆炸冲击荷载作用下结构构件的动力响应问题，计算精度符合工程要求，所以在实际工程中得到广泛的应用。

四、数值模拟及结果分析

（一）不同药量作用下构件的应力、位移时间曲线数值模拟

炸药爆轰过程构件的位移云图由于爆炸冲击荷载作用在钢管混凝土结构构件的 yoz 面上，所以构件产生最大位移的方向为 x 方向。由于试验时将应变片贴在背离爆炸冲击荷载作用面的中点处，因此选择背离爆炸冲击荷载作用面跨中位置作为研究对象，该位置的单元号为 460050。试验中，主要测量了 15gTNT、30gTNT 作用下构件的应变值、挠度值和 50gTNT作用下构件的挠度值。由于构件在 15gTNT 和 30gTNT 作用下处于弹性阶段，故根据广义胡克定律 σ = Eε，已知应力值和弹性模量可计算出应变值。

（二）钢管混凝土结构构件和空钢管构件抗爆性能对比数值模拟

对 5 种不同壁厚的钢管混凝土结构构件和空钢管构件的抗爆性能进行模拟，得出不同壁厚空钢管构件和钢管混凝土结构构件跨中位移时间曲线。可以看出，对于空钢管构件和钢管混凝土构件，随着钢管壁厚的增加，构件的最大位移逐渐减小，回弹量逐渐增大，因此构件的抗爆性能逐渐提高。表1 .为钢管混凝土结构构件和空钢管构件跨中最大位移值。图 1.为不同含钢率的钢管混凝土构件和空钢管构件最大挠度拟合曲线。

结语：本文对钢管混凝土结构构件的特点及抗爆性能研究的现状进行了综述，分析了爆炸空气冲击波的作用原理及钢管混凝土材料的动力性能，对钢管混凝土结构构件在爆炸冲击荷载作用下的动力响应进行了理论计算、试验研究和数值模拟等工作，分析了影响构件抗爆性能的主要因素，为以后的工程实践提供了技术指导。

参考文献：

[1]韩林海，杨有福.现代钢管混凝土结构技术.第二版.北京：中国建筑工业出版社，2011：5-8.

[2]王蕊.钢管混凝土结构构件在侧向撞击下动力响应及其损伤破坏的研究[D].太原理工大学博士学位论文，2010.

[3]中国工程建设标准化协会标准，钢管混凝土结构设计与施工规程（CECS28：90）.北京：中国计划出版社，2012.

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