鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用 鋼管混凝土（Concrete-filled Steel Tubes，CFST）

鋼管混凝土（Concrete-filled Steel Tubes，CFST）是在鋼管中填充混凝土而形成的結(jié)構(gòu)形式。由于外鋼管可以為核心混凝土提供約束，使得鋼管內(nèi)混凝土強(qiáng)度得以提高，塑性和韌性得到改善，同時(shí)混凝土作為支撐延緩或避免了外鋼管的過早屈曲，充分發(fā)揮了兩種材料的優(yōu)勢，使得鋼管混凝土結(jié)構(gòu)具有承載力高、塑性和韌性好等特點(diǎn)。同時(shí)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能和抗火性能，適合在抗震區(qū)和需要進(jìn)行抗火設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)工程中使用。另外鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在施工過程中鋼管可以作為混凝土澆筑的模板，也提高了結(jié)構(gòu)的可施工性和經(jīng)濟(jì)性能。

由于具備上述優(yōu)點(diǎn)，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)已經(jīng)在土木工程結(jié)構(gòu)中得到了廣泛的應(yīng)用，如層建筑、多層住宅建筑、大跨空間結(jié)構(gòu)、地鐵站、電力塔架、和橋墩等。圖1.1所示為鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在深圳賽格廣場和蘭州雁灘黃河大橋橋墩中的應(yīng)用實(shí)例。

結(jié)構(gòu)遭受的沖擊作用：

結(jié)構(gòu)在服役過程中，除遭受各種靜力荷載如恒荷載和活荷載，以及風(fēng)荷載和地震荷載等動力荷載外，還可能遭受撞擊等意外荷載作用。如橋梁橋墩遭受汽車或船只撞擊，建筑遭受飛行器或車輛撞擊等。結(jié)構(gòu)在撞擊作用下有可能發(fā)生嚴(yán)重的損傷甚至完全喪失承載能力，給生命財(cái)產(chǎn)造成嚴(yán)重?fù)p失。

典型沖擊過程如圖1.2所示，擁有一定質(zhì)量的物體（如飛機(jī)、汽車、船只或者建筑中的上部結(jié)構(gòu)等）以一定的速度撞擊到結(jié)構(gòu)上，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損傷甚至喪失承載力。如2001年的“911事故”中，飛機(jī)撞擊大樓引發(fā)大火，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)喪失承載力，上部結(jié)構(gòu)坍塌，向下沖擊導(dǎo)致下部結(jié)構(gòu)發(fā)生連續(xù)倒塌。另外車輛撞擊橋梁是常見的撞擊事故，據(jù)統(tǒng)計(jì)，北京50%的橋梁都曾遭受車輛撞擊上部結(jié)構(gòu)（陸新征等，2011）。 
 

撞擊荷載已經(jīng)成為威脅橋梁等結(jié)構(gòu)安全的重要因素。必須在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中進(jìn)行考慮。目前在某些結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計(jì)中已經(jīng)有相關(guān)的規(guī)定。如在橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，歐洲規(guī)范Eurocode1 Part 1-7（2005）中規(guī)定，可將撞擊等意外荷載的后果分為三類：輕微（Low）、中度（Medium）和嚴(yán)重（High）。對于后果輕微的撞擊事件，不需要進(jìn)行專門的防撞擊設(shè)計(jì)；對于可能造成中度后果的撞擊事件，可以采用簡化模型將沖擊荷載等效為靜力荷載對結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)；而對于可能造成嚴(yán)重后果的撞擊試件，則需要對結(jié)構(gòu)進(jìn)行深度的結(jié)構(gòu)分析，采用非線性動力分析等方法分析荷載和結(jié)構(gòu)之間的相互關(guān)系等。歐洲規(guī)范Eurocode1 Part 1-7（2005）中并根據(jù)車輛和道路類型給出了車輛撞擊結(jié)構(gòu)的等效靜力經(jīng)驗(yàn)值。此外，中國《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范JTG D60-2004》中也給出了車輛或船只撞擊橋梁的等效靜力荷載值，通過對橋梁進(jìn)行靜力設(shè)計(jì)滿足防撞要求。

而事實(shí)上，撞擊過程是一個(gè)復(fù)雜的非線性動力學(xué)過程，相比于靜力荷載，很多動力學(xué)因素會對結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能造成影響，如應(yīng)力波傳播、材料的應(yīng)變率效應(yīng)和慣性力等。采用等效靜力荷載進(jìn)行設(shè)計(jì)的思路，一方面得到的等效靜力荷載可能存在較大誤差，另一方面這種方法忽略了結(jié)構(gòu)本身的動力反應(yīng)特點(diǎn)。因此有必要對結(jié)構(gòu)遭受撞擊的實(shí)際過程和結(jié)構(gòu)在沖擊荷載下的力學(xué)性能進(jìn)行研究。

沖擊荷載一般分為低速沖擊和高速沖擊兩種，兩者之間并沒有明確的界限。一般認(rèn)為當(dāng)沖擊物體質(zhì)量相對較大，沖擊速度相對較低，沖擊時(shí)間相對較長（如在幾微秒至幾十微秒范圍內(nèi)），遭受沖擊的結(jié)構(gòu)主要發(fā)生整體變形，而未產(chǎn)生局部侵徹時(shí)為低速沖擊（Richardson和Wisheart，1996）。因此建筑結(jié)構(gòu)遭受車輛、船只等的沖擊為低速沖擊過程。在本文的研究范圍內(nèi)，沖擊荷載均屬于低速沖擊。

鋼管斷裂對構(gòu)件抗沖擊能力值得進(jìn)一步深入研究

（1）鋼管斷裂對構(gòu)件抗沖擊能力的影響：
在沖擊能量較大時(shí)，鋼管混凝土中外鋼管容易發(fā)生斷裂，斷裂對構(gòu)件的抗沖擊能力和剩余承載力有較大的影響，因此需要進(jìn)行深入分析。本文對鋼材斷裂問題的模擬進(jìn)行了初步的探索，需要進(jìn)一步建立更加精細(xì)的模型并進(jìn)行相應(yīng)的機(jī)理分析。
（2）構(gòu)件在橫向沖擊荷載下的彎矩（M）-軸力（N）相關(guān)曲線本文進(jìn)行了鋼管混凝土構(gòu)件在軸力-沖擊耦合作用下的力學(xué)性能的初步分析。分析結(jié)果表明，軸力水平對構(gòu)件截面的動力抗彎強(qiáng)度有較大影響。為方便設(shè)計(jì)，需要通過更多的研究得到構(gòu)件在橫向沖擊荷載下的彎矩（M）-軸力（N）相關(guān)曲線。

（3）構(gòu)件在橫向沖擊荷載下的剩余承載力實(shí)用計(jì)算方法及加固方案實(shí)際撞擊事故中需要對構(gòu)件的剩余承載力進(jìn)行評估，以便進(jìn)行相應(yīng)的處理如進(jìn)行修復(fù)加固等。本文對鋼管混凝土柱在沖擊后的剩余承載力的計(jì)算進(jìn)行了探討，表明剩余承載力隨軸力水平提高而降低，有必要通過更多計(jì)算分析得到構(gòu)件剩余承載力的實(shí)用計(jì)算方法。并對構(gòu)件沖擊荷載后的修復(fù)加固方案進(jìn)行研究。

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