组合结构撞击性能：火灾后内配型钢钢管混凝土构件侧向撞击性能试验研究

文摘科学 2023-07-31 21:28 甘肃

引用格式：

Ji SH, Wang WD, Chen WS, Shi YL, Xian Wei. Lateral impact behaviour of post-fire steel-reinforced concrete-filled steel tubular members: Experiment and evaluation method. Engineering Structures, 293 (2023) 116612.

Highlights:

1. Twelve post-fire SRCFST specimens subject to lateral impact are tested.

2.The lateral impact responses of post-fire SRCFST members are investigated.

3.The effects of different parameters on the impact behaviour are analyzed.

4.Simplified methods are proposed to evaluate the impact responses of SRCFST members.

论文信息：

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0141029623010271

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https://authors.elsevier.com/c/1hSkfW4G4bHFV

DOI: 10.1016/j.engstruct.2023.116612

一、研究背景

内配型钢钢管混凝土(Steel-reinforced concrete-filled steel tube，SRCFST)是在钢管混凝土(CFST)中配置型钢而形成的组合构件，该类构件较CFST构件有更好的延性和耐火性能。结构在服役期间不可避免地可能会遭受撞击和火灾等偶然荷载的作用，撞击荷载作用在结构上会导致与静态荷载作用时显著不同的结构响应，易造成结构损伤或倒塌(图1a)，一些极端情况下，结构会经历火灾和撞击的耦合作用，如油罐车撞击桥梁后引发火灾(图1b)，火灾下结构局部倒塌造成冲击。近年来研究者对各类CFST组合构件的抗撞性能进行了系列研究，但关于火灾下(后)SRCFST构件的抗撞性能研究十分有限。为此，本文进行了火灾后SRCFST构件侧向撞击试验研究，给出简化评估方法。

二、试验结果与讨论

共进行了12个火灾后SRCFST构件的侧向撞击试验，考察受火时间(t0=0min、60min和90min)、撞击高度(h0=1.0m、1.5m和2.4m)、内部型钢类型(十字形和工字形)，以及轴向荷载比(n=0、0.15和0.3)对构件的破坏形态和撞击响应的影响。试件截面示意如图2，试验分两个阶段，包括火灾试验和侧向撞击试验，试验装置分别如图3和4。

火灾试验结果表明：受火过程中混凝土和内部型钢的温度相近，且远低于钢管的温度(如图5)，随着受火时间的增加，钢管表面逐渐由红褐色变为青色，受火90min的试件钢管表面氧化层出现大面积起泡和剥落(如图6)。

撞击试验结果表明：SRCFST构件在侧向撞击下发生整体弯曲破坏，受火后构件撞击过程中钢管表面氧化层大面积剥落(如图7)；撞击过程中轴力逐渐降低，但总体上轴力卸载程度相对较小(如图8)。两端固支构件的局部破坏区域主要在跨中和端部约束处，表现为钢管的局部鼓曲，以及混凝土的开裂和压溃；型钢的存在显著减轻内部混凝土的破坏，由于混凝土的支撑作用，型钢仅产生弯曲变形，未出现局部屈曲(如图9)。

受火后SRCFST构件的撞击力时程曲线有明显的平台段(如图10和11)，撞击过程可以分为震荡阶段、平台阶段和下降阶段，所有试件的整体弯曲变形平均耗散87%的撞击动能。不同参数对撞击响应的影响如下(如图12)：

1) 随着受火时间的增加，撞击力峰值和平台值明显降低，跨中挠度显著增大；

2) 增加撞击高度导致撞击力平台值提高，跨中挠度增大；

3) 随着轴向荷载比增加，撞击力平台值逐渐降低，跨中挠度轻微增大；

4) 与强轴加载相比，弱轴加载时撞击力平台值降低7.8%，跨中最大挠度增加11.7%。

三、简化评估方法

目前，关于SRCFST组合构件动态强度提高系数(R_d)的确定方式可分为两种(如图13)：1) 通过对影响构件动态承载力的参数进行分析，采用回归方法给出R_d；2) 直接根据钢材和混凝土的动态强度系数(DIF_s和DIF_c)以及构件的静态承载力计算R_d_。

本研究中，基于钢材和混凝土的动态强度系数(DIF_s和DIF_c)计算SRCFST构件的动态抗弯强度提高系数(R_d)，结合构件的静态抗弯承载力(M_u^s)计算常温下SRCFST构件的动态抗弯承载力(M_u^d)，如图14。对于受火后构件，假定型钢的平均温度与混凝土的平均温度相同，通过构件的“等效平均温度”给出受火后SRCFST构件动态抗弯承载力的简化计算方法，如图15。

最后，基于常温下和火灾后SRCFST构件的动态抗弯承载力，通过“膜力因子法”给出SRCFST构件在侧向撞击作用下最大挠度的简化评估方法，如图16。

四、结论

Conclusions

火灾后圆形SRCFST构件在侧向撞击下发生整体弯曲破坏，型钢的存在显著减轻了内部混凝土的破坏；所有试件的整体弯曲变形平均耗散了87%的撞击动能。

随着受火时间的增加，试件的整体弯曲变形和局部鼓曲加重，撞击力平台值降低，跨中挠度明显增大；增加撞击高度使撞击力平台值轻微提高，跨中挠度显著增大。

增加轴向荷载比轻微降低撞击力平台值，但对撞击力峰值影响不大；与强轴加载时相比，弱轴加载时构件的撞击力平台值降低7.8%，跨中最大挠度增加11.7%。

通过构件的“等效平均温度”，讨论了受火后SRCFST构件动态抗弯承载力的简化计算方法，并基于“膜力因子法”给出构件在侧向撞击下最大挠度的评估方法。

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作者简介

纪孙航：男，陕西人，博士研究生。主要从事钢管混凝土组合结构抗火及抗冲击研究。

2018.09-2020.08，兰州理工大学土木工程学院结构工程专业，硕士研究生（导师：史艳莉教授）

2020.09-，兰州理工大学土木工程学院结构工程专业，博士研究生（导师：王文达教授）

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[8].王文达*，纪孙航，史艳莉，张宸．内配型钢方钢管混凝土构件压弯剪性能研究．土木工程学报，2021，54(1): 76-87.

[9].Shi Yan-Li, Jia Zhi-Lu, Wang Wen-Da*, Xian Wei, Tan Ee Loon. Experimental and numerical study on torsional behaviour of steel-reinforced concrete-filled square steel tubular members. Structures, 2021, 32: 713-730.

[10].Wang Wen-Da*, Ji Sun-Hang, Xian Wei, Shi Yan-Li. Experimental and numerical investigations of steel-reinforced concrete-filled steel tubular members under compression-bending-shear loads. Journal of Constructional Steel Research, 2021, 181: 106609.

[11].Wang Wen-Da*, Xian Wei, Hou Chao, Shi Yan-Li. Experimental investigation and FE modelling of the flexural performance of square and rectangular SRCFST members. Structures, 2020, 27: 2411-2425.

[12].Wang Wen-Da*, Jia Zhi-Lu, Shi Yan-Li, Tan Ee Loon. Performance of steel-reinforced circular concrete-filled steel tubular members under combined compression and torsion. Journal of Constructional Steel Research, 2020, 173: 106271.

[13].Shi Yan-Li, Xian Wei, Wang Wen-Da*, Li Hua-Wei. Mechanical behaviour of circular steel-reinforced concrete-filled steel tubular members under pure bending loads. Structures, 2020, 25: 8-23.

[14].Shi Yan-Li, Xian Wei, Wang Wen-Da*, Li Hua-Wei. Experimental performance of circular concrete-filled steel tubular members with inner profiled steel under lateral shear load. Engineering Structures, 2019, 201: 109746.

[15].史艳莉*，周绪红，鲜威，王文达．无端板矩形钢管混凝土构件基本剪切性能研究．工程力学，2018，35(12): 25-33.

[16].王文达，于清．混凝土浇筑过程中方钢管柱的力学性能．清华大学学报(自然科学版)，2013，53(1):6-11.

Part.6

中空夹层钢管混凝土结构

[1].Fan Jia-Hao, Wang Wen-Da*, Shi Yan-Li, Ji Sun-Hang. Torsional behaviour of tapered CFDST members with large void ratio. Journal of Building Engineering, 2022, 52: 104434.

[2].Shi Yan-Li, Ji Sun-Hang, Wang Wen-Da*, Xian Wei, Fan Jia-Hao. Axial compressive behaviour of tapered CFDST stub columns with large void ratio. Journal of Constructional Steel Research, 2022, 191: 107206.

[3].Duan Li-Xin, Wang Wen-Da*, Xian Wei, Shi Yan-Li. Shear response of circular-in-square CFDST members: Experimental investigation and finite element analysis. Journal of Constructional Steel Research, 2022, 190: 107160.

[4].史艳莉，纪孙航，王文达*，张宸，范家浩．大空心率圆锥形中空夹层钢管混凝土压弯构件滞回性能研究．土木工程学报，2022，55(1): 75-88.

[5].Wang Wen-Da*, Fan Jia-Hao, Shi Yan-Li, Xian Wei. Research on mechanical behaviour of tapered concrete-filled double skin steel tubular members with large hollow ratio subjected to bending. Journal of Constructional Steel Research, 2021, 182: 106689.

[6].史艳莉，张超峰，鲜威，王文达*．圆锥形中空夹层钢管混凝土偏压构件受力性能研究．建筑结构学报，2021，42(5): 155-164+176.

Part.7

纤维模型与子程序开发等

[1].Tao Zhong*, Katwal Utsab, Uy Brian, Wang Wen-Da. Simplified nonlinear simulation of rectangular concrete-filled steel tubular columns. ASCE Journal of Structural Engineering, 2021, 147(6): 04021061.

[2].Shi Yan-Li*, Li Hua-Wei, Wang Wen-Da, Hou Chao. A fiber model based on secondary development of ABAQUS for elastic-plastic analysis. International Journal of Steel Structures, 2018, 18(5): 1560-1576.

[3].Katwal Utsab, Tao Zhong*, Hassan Md Kamrul, Wang Wen-Da. Simplified numerical modeling of axially loaded circular concrete-filled steel stub columns. ASCE Journal of Structural Engineering, 2017, 143(12): 04017169.

[4].王文达*，魏国强．基于纤维模型的型钢混凝土组合剪力墙滞回性能分析．振动与冲击，2015，35(6):30-35.

[5].王文达*，王景玄，周小燕．基于纤维模型的钢管混凝土组合框架连续倒塌非线性动力分析．工程力学，2014，31(9): 142-151.

[6].王文达*，杨全全，李华伟．基于分层壳单元与纤维梁单元组合剪力墙滞回性能分析．振动与冲击，2014, 33(16):142-149.

[7].李华伟，王文达*．ABAQUS二次开发在钢管混凝土结构有限元分析中的应用．建筑结构学报，2013，34(s1):353-358.

Part.8

装配式钢筋混凝土结构

[1].Yuan Yu-Jie, Wang Wen-Da*, Huang Hua. Deformation mechanism of steel artificial controllable plastic hinge in prefabricate frame. Journal of Constructional Steel Reserarch, 2023, 201: 107735.

Part.9

新型高性能结构材料

[1].Gao Fang-Fang, Tian Wei, Wang Wen-Da. Residual impact resistance behavior of concrete containing carbon nanotubes after exposure to high temperatures. Construction and Building Materials, 2023, 366: 130183.

编辑：郑龙

审核：王文达

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王文达课题组

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兰州理工大学土木工程学院王文达课题组

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王文达课题组

兰州理工大学土木工程学院王文达教授课题组公众号，主要进行钢与混凝土组合结构混合结构、钢结构及结构抗火研究、工程技术咨询等。