钢筋混凝土作为建筑材料在各类土木建筑工程中广泛应用 ^[1,2]。近年来,随着建筑高度的不断增大,钢筋混凝土结构的自重大已成为限制其在高层甚至超高层建筑应用中的首要问题,因此空心钢筋混凝土结构应运而生。空心钢筋混凝土结构除了自重小外,还兼具截面惯性矩大、承载力高的优点。

　　 目前,对于空心钢筋混凝土结构的研究主要集中在其截面承载力、抗震与抗火问题上。韩强、周雨龙等 ^[3]研究了钢筋混凝土矩形空心桥墩的抗震性能,研究结果表明:横向配筋构型的RC矩形空心桥墩在水平地震作用下具有良好的抗震性能; 许清风、韩重庆等 ^[4]对不同持荷水平下预应力混凝土空心板进行了耐火试验,试验表明:持荷受火空心板跨中挠度较对比试件显著增大且底面受火预制空心板的耐火极限随持荷水平的增加而降低; 刘珂、董振华 ^[5]基于不同加固方案下的FRP约束RC矩形空心墩柱轴压承载力-变形和材料力学性能模拟结果,提出了约束矩形空心墩柱的侧向约束力计算公式。而在研究冲击荷载下结构性能方面,目前主要针对的是实心截面钢筋混凝土结构,如田力、朱聪等 ^[6,7]对钢筋混凝土柱在碰撞冲击荷载作用下的动力响应和损伤评估进行了研究,提出了一种基于竖向剩余承载力的损伤评估准则。而钢筋混凝土构件常作为建筑结构的板、梁、柱等承重构件,在遭遇撞击时,若发生损伤破坏将会使生命财产面临重大损失。钢筋混凝土结构逐渐衍生出空心截面形式,因此研究空心钢筋混凝土结构在冲击方面的性能有着十分重要的工程意义。

　　 本试验设计了一种内八边形中空钢筋混凝土柱,这样设计的原因是空心钢筋混凝土中核心混凝土在开洞处内壁无约束,易发生由内壁破坏引起的整体破坏,而圆形内壁不易施工,故将内壁改良为与圆形相似的八边形,并设置了内层箍筋。主要研究不同边界条件、不同冲击能量和不同轴压比下该类柱的动态响应和破坏模式,对其机理进行了分析讨论。

　　 本试验设计的内八边形中空钢筋混凝土柱试件质量为690kg,轴压承载力为6 240kN。试件长1 800mm,净跨1 200mm,截面尺寸400mm×400mm。箍筋间距有三种:在支座处为25,50mm; 在中间位置处为100mm。试件两端各有225mm长的套筒以便于支座处用夹具夹持,右侧超出夹持段150mm用以施加轴压力。盖板厚度20mm,垫板槽深度5mm,试件具体尺寸及钢筋位置见图1(a)。内八边形中空钢筋混凝土柱剖面图见图1(b)。

　　 根据支承条件、冲击高度以及有无轴压共设计了10根试件。其中,混凝土是由商品混凝土厂按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2002)制得,其强度等级为C60,采用标准试验方法测得其立方体抗压强度为62.6MPa。纵筋与箍筋均采用HRB400级钢筋,依据《金属材料室温拉伸试验方法》(GB/T 228—2002)的标准进行钢筋标准拉伸试验,测得的钢筋材料参数见表1。

　　 试验在太原理工大学结构实验室自主研发的大型落锤试验机上完成,试验装置如图2所示。落锤试验机主要由顶部梁、电葫芦吊机、脱钩器、锤体、锤头以及落锤防护装置等组成。冲击力传感器安装在锤体和锤头之间,组成落锤,落锤最大提升高度为5.0m,总质量为1.15t,无导轨约束。通过电葫芦吊机控制升降,通过脱钩器释放落锤。落锤参数见表2。

　　 进行冲击试验时,试验人员将安全销从脱钩器内拉掉,另一试验人员待到落锤水平和竖直方向无明显晃动时拉动脱钩器释放落锤,使落锤自由下落。试验中落锤质量保持不变。对于施加轴向力的试件,采用60片蝶形弹簧,其中每20片对合一次的蝶簧组与油压千斤顶配合使用的方式将轴力施加到试件上。这样设计的优点是:在冲击过程中,挠度的产生会使试件在轴线方向迅速缩短,导致轴向力瞬间消失,而在试件沿轴向缩短的瞬间,蝶簧组会把预先储存的弹性势能释放出来,从而使轴向力继续加载在试件上 ^[8]。试验装置示意图见图3。

　　 试验记录了冲击力、跨中位移的数据。冲击力由冲击力传感器测量。所有数据由采集频率为50kHz的数据采集系统采集和记录。采用高速摄像机拍摄试件的变形情况,拍摄频率为每秒4 000帧。

　　 本试验共设计10根内八边形中空钢筋混凝土柱试件,FF,FS,SS,A2,A3的试件各2根。试件编号中FF,FS,SS分别代表支承条件为两端固支、一端固支一端简支以及两端简支; 最后一个数字2,5代表冲击高度2,5m; A代表有轴压,A2,A3分别表示轴压比为0.2,0.3。轴压比n=N₀/N_u,N₀为施加的轴力,N_u为构件轴向受压承载力; 冲击能量为自由落体的重力势能。高速摄像机未捕捉到FF-2试件的信息。试件的试验结果见表3。

　　 图4给出了冲击试验后试件破坏形态。从图4可以看出:尽管边界条件和冲击高度不同,这10根试件都在冲击完成时出现了裂缝,总体上试件在5m冲击高度比2m冲击高度产生的裂缝多。

　　 首先对6根无轴压试件(FF-2,FF-5,FS-2,FS-5,SS-2,SS-5)的试验结果分析可知:

　　 (1)当冲击高度为2m时,由于冲击能量较低,三种边界条件的试件破坏程度均较低,变形主要集中在冲击点周边,裂缝数量不多,未见大面积混凝土剥落。相比较而言,三种边界条件中,两端简支的试件破坏程度最重,左侧裂缝较宽且跨中竖向裂缝多而深,几乎延伸到中性轴位置; 一端固支一端简支的试件破坏程度次之,左侧出现两条较明显的大于45°且小于90°的弯剪斜裂缝; 两端固支的试件破坏程度最轻,裂缝均不是很明显,只有冲击点周边少许混凝土剥落。

　　 (2)当冲击高度为5m时,由于冲击能量较大,三种边界条件的试件破坏程度均较高,发生变形的范围较广,裂缝以柱端底部斜向贯穿至冲击点位置附近的形式存在,且有大量混凝土剥落。三种边界条件中,两端固支的试件钢筋暴露根数最少,底部纵向受力钢筋竖向弯曲程度最小; 一端固支一端简支的试件钢筋暴露根数居中,但左侧箍筋畸形,且沿中性轴位置出现一条横向贯穿裂缝; 两端简支的试件破坏程度最深,钢筋暴露根数最多,甚至暴露出两根加密区箍筋,跨中竖向裂缝最多。

　　 (3)冲击高度为2m的试件破坏形式表现为局部破坏,试件冲击点周围的局部区域发生变形,柱身其他部位则处于弹性状态,破坏主要表现为受压区混凝土压碎剥落,受拉区混凝土开裂; 冲击高度为5m的试件破坏形式表现为整体破坏,柱身以整体变形为主,支座处纵向钢筋受拉屈曲破坏。

　　 其次对4根有轴压试件(A2-2,A2-5,A3-2,A3-5)的试验结果分析可知:

　　 (1)当冲击高度为2m时,由于冲击能量较小,两种轴压比下的试件破坏程度均较小。轴压比为0.3的试件破坏程度比轴压比为0.2的试件低,轴压比为0.3的试件整体未见明显裂缝。

　　 (2)当冲击高度为5m时,由于冲击能量较大,两种轴压比下的试件破坏程度均较大,轴压比为0.2的试件破坏程度比轴压比为0.3的试件低。虽然两者的箍筋、纵筋均畸形,但只有轴压比为0.3的试件右侧箍筋出现断裂。

　　 (3)在冲击能量较低时,一定的轴力可增强试件的抗冲击性能; 在冲击能量较高时,可适当减小轴力,以减轻试件的冲击破坏程度。

　　 图5给出了各个试件的冲击力时程曲线。冲击持续时间为从落锤接触试件到落锤第一次冲击完成所用时间;冲击力在很小的范围内波动形成一个平台段且持续一段时间,取平台段的平均值为冲击力平台值。由图可看出,大部分曲线首先出现负峰值,这是较以往冲击试验不同的现象,这种现象可以用达朗贝尔原理来解释。对于冲击试验,冲击力加试件惯性力与支座反力的和始终为0。撞击一开始,冲击力与惯性力同时增长,而支座反力的增长要延后,其原因是应力波传至支座处需要一定时间,而这一段时间内冲击力与惯性力早已达到峰值并衰减过半,因此,单看整个冲击力峰值阶段,可忽略支座反力,因而此时冲击力与惯性力的和为0。而结合位移时程曲线可知,当冲击力达到峰值时构件跨中几乎没有位移,可见试件在撞击时刻获得的加速度值相当大,以至于惯性力有可能大于冲击力,负值便出现了。

　　 由图5可知,尽管边界条件、冲击高度不同,但冲击力时程曲线的变化趋势大致相同。但并未从曲线中找到冲击力平台,原因是本次试验的试件中并无类似钢管等比混凝土有更强的吸收变形能的材料存在。而由文献[9]外钢管和核心混凝土的耗能曲线可知,外钢管的塑性耗能占到了构件塑性耗能的75%左右,混凝土仅占25%左右,表明外钢管的塑性变形是钢管混凝土主要的耗能机制。从而说明钢管混凝土柱的抗冲击性能更加优越。另外需要注意的是,在相同的边界条件下冲击持续时间随着冲击高度的增大而增大,这是因为冲击高度越大,试件若要消耗增加的冲击能量就会需要更多的时间来发生塑性变形。而在不同的边界条件下冲击持续时间的长短并无明显规律,因为其与冲击点接触刚度有关,而接触刚度的影响因素有接触表面的粗糙度、几何形状的精度等。尽管每次试验前都将试件表面清理干净,锤头表面也擦拭光滑,但由于试件表面的混凝土未必是同样的平整度,故其接触刚度也便不同,从而导致冲击力持续时间发生变化。

　　 从图5还可以看出,试件的冲击力时程曲线大致可分为两段,即加载到峰值阶段与卸载阶段。以试件 FF-2为例,0～3.2ms为第一阶段,落锤刚接触试件的瞬间,冲击力迅速加载到一个峰值,而后冲击力开始下降,这是因为试件获得的较大加速度使其更快地下移,使得落锤与试件有逐渐分离的趋势; 3.2～7ms为第二阶段,在此过程中混凝土吸收了大量冲击动能,使得冲击力逐渐衰减。由图5冲击高度为2m的试件(FF-2,FS-2,SS-2)冲击力时程曲线可知,不同边界条件下的试件冲击力时程曲线类似。

　　 对比有、无轴压试件的冲击力时程曲线,得到图6所示的SS-2与A3-2试件冲击力衰减曲线的对比。可以看出:有轴压的试件冲击力衰减程度比无轴压的试件更快,且衰减幅度也相对更大。研究4根有轴压试件(A2-2,A2-5,A3-2,A3-5)的冲击力衰减程度,其数据从4根试件的冲击力时程曲线中最大峰值后取每个正负峰值所得。由图7可得,当冲击高度为2m时,轴压比较大的试件A3-2的冲击力衰减的幅度更大,而时间较长; 当冲击高度为5m时,轴压比较小的试件A2-5的冲击力衰减的幅度更大,而时间相当。结合前述4根有轴压试件的破坏程度分析可得,冲击能量较低时一定的轴力使试件更易吸收冲击能,从而抗冲击能力更高; 冲击能量较高时可减小轴力,来提高试件的抗冲击能力。

　　 试件位移时程曲线如图8所示,冲击能量对位移的影响如图9所示。由图8(a),(c)与图9可知,跨中最大位移随冲击高度的增大而增大,就增大的幅度来说,有轴压的试件明显大于无轴压的试件; 由图8(b)与图9可知,当冲击高度相同时,边界条件的差异对跨中最大位移影响显著,当冲击高度为5m时,FS-5试件跨中最大位移比FF-5试件大40.25%。

　　 由图8(d)和图9可知,在冲击高度为5m时,轴压比较大的试件A3-5具有较大的跨中最大位移值; 当冲击高度为2m时,轴压比较大的试件A3-2却具有较小的跨中最大位移值。由大变形效应 ^[10]可知:此时的轴力在一定程度上强化了试件,提高了试件的能量吸收能力; 从跨中位移的回弹量来考虑,所有试件回弹量随冲击高度的增加而增加,而有轴压的试件整体比无轴压的试件回弹量小,试件A3-2跨中几乎没有发生回弹。6根无轴压试件回弹量高,因此试件多处于弹性状态,试件抗冲击能力强。由试验结果可知,试件A3-5与A2-2较A3-2与A2-5的回弹量大,相对具有较好的抗冲击性能。但本次试验并未研究出轴压比限值,在一定轴压比范围内表明试件抗冲击能力无明显下降。

　　 (1)内八边形中空钢筋混凝土柱在不同冲击能量下的破坏形态主要包括整体破坏与局部破坏。当冲击高度为2m时,柱身混凝土裂缝不多且整体变形不明显,构件基本处于弹性工作阶段; 当冲击高度为5m时,柱身混凝土剥落严重,裂缝数量较多且变形明显,构件处于弹塑性工作阶段。内八边形中空钢筋混凝土柱整体上表现出良好的抗冲击性能。

　　 (2)冲击力时程曲线可分为两个阶段:峰值阶段和衰减阶段。施加轴力可增加冲击力衰减程度。

　　 (3)边界条件对试件跨中最大位移影响显著。当冲击高度相同时,边界条件越稳定,跨中最大位移越小。

　　 (4)轴压力对柱抗冲击性能有一定影响。当冲击高度为2m时,一定的轴力可减小试件跨中最大位移且减轻试件的破坏程度; 当冲击高度为5m时,可考虑减小轴力,来提高试件的抗冲击能力。