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。同時鋼管混凝土結(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，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，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)計中進(jìn)行考慮。目前在某些結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計中已經(jīng)有相關(guān)的規(guī)定。如在橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，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；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；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)驗值。此外，中國《公路橋涵設(shè)計通用規(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)計滿足防撞要求。

而事實上，撞擊過程是一個復(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。因此有必要對結(jié)構(gòu)遭受撞擊的實際過程和結(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，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，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用計算方法及加固方案實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，有必要通過更多計算分析得到構(gòu)件剩余承載力的實用計算方法。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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