何雅杰 （安徽理工大学 土木建筑学院，安徽 淮南 232001）

0 引言

随着现代社会科技日新月异的发展，交通也变得四通八达。车、船、高铁和飞机也越来越多，然而出行便利的同时也伴随着巨大的危险，如出现了运输船撞塌桥墩导致桥体倾斜，崩塌事件、飞机撞击高楼事件、汽车撞击桥梁等一系列巨大事故，甚至这些美好的建筑成为国际恐怖组织发展和破坏的目标，因此这些潜在的巨大风险让学者和专家投入了大量的思考和研究[1]。钢管混凝土一出现便被大量用于建筑物中，钢管混凝土是指将预制好的混凝土砂浆灌入所制备的钢管中，再进行养护，使得混凝土在钢管中硬化，与钢管良好地结合在一起。钢管本身具有一定的抗压、抗拉能力，而混凝土具有良好的抗压能力，在受到外荷载时，钢管可以很好地限制混凝土发生横向膨胀，而混凝土也限制了钢管发生横向变形，使钢管混凝土处于三轴应力状态[2]。钢管和混凝土的结合使其力学性能得到了极大的改善，使材料的性能得到充分发挥。相比钢筋混凝土，钢管混凝土可以节省模板费用，加速施工进度。

中空夹层钢管混凝土是将拌制好的混凝土砂浆注入两个同心放置的钢管夹层中，再将注入混凝土的钢管整体放在振捣台上，将钢管夹层内的混凝土振捣均匀，然后放置在实验室混凝土养护室中养护。中空夹层钢管混凝土和实心钢管混凝土的区别在于，中空夹层钢管混凝土将实心钢管混凝土截面核心处的混凝土用钢管代替[3]，而用来代替的钢管壁厚对于中空钢管混凝土的各项力学性能也有着很大的影响，钢管壁厚与薄不仅影响着钢管的静态力学性能，还影响着钢管混凝土动态载荷性能包括冲击和爆炸。对于同尺寸的实心钢管混凝土，不管是在静态载荷还是在动态轴压承载力上，中空夹层钢管混凝土一般都不会比实心钢管混凝土要低。目前，关于中空夹层钢管混凝土静力学的研究已经比较充分和完善，而对于中空夹层钢管混凝土的冲击动荷载方面的研究性相比较缺乏[4]。

中空夹层钢管混凝土相较于实心钢管混凝土的优点在于：

中空夹层钢管代替实心钢管混凝土截面核心区域混凝土，不仅节省了混凝土的用量，减轻了结构的自重，能够有效地降低工程造价，而且方便实际工程中的安装。

对于结构抗火性能而言，内部的混凝土对外围钢管起到了支撑作用，不仅保留了混凝土结构良好的抗火性能，而且有效地防止了在高温大火下结构的突然破坏导致构建物整体倒塌。

1 试验概况

1.1 试验材料

钢管混凝土中的粗骨料采用米石，细骨料采用河沙和标号为42.5级来自淮南市八公山水泥厂的水泥。钢管采用强度等级为Q345的无缝钢管。C30混凝土配合比为水泥：砂：石：水=1：1.93：3.14：0.58，C45 混凝土的配合比为水泥：砂：石：水=1：1.31：2.14：0.43。

在试件制备时，钢管的制备往往会有点误差，尽量选取比所需要的钢管外径略大的，在采用线切割和床刨铣技术，制备成实验所需尺寸的钢管。本实验选用的是直径为70mm，高度35mm的钢管，再分别制备壁厚2mm和3mm的以备实验对比，为防止钢管在预制和养护混凝土时生锈腐蚀，导致钢管强度的降低，需要在钢管表面涂上一层保护油，再将搅拌配制好的混凝土砂浆灌入钢管中，对其进行振捣，将制备好的钢管混凝土放入混凝土养护室养护28d。

1.2 试验方法

本文基于分离式霍普金森压杆冲击试验和数值模拟，研究中空夹层钢管混凝土的动力特性及其动态应力-应变关系。

试验采用的是安徽理工大学能源与安全学院实验室的75直径的SHPB压杆，该试验设备主要有氮气罐、压力表、子弹、测速器、入射杆、透射杆、吸收杆、阻尼器、超动态采集系统等。实验设备使用原理：在气缸中冲入不同压力的氮气，通过不同气压加载子弹，然后子弹撞击入射杆，将应力脉冲由入射杆传入到投射杆中，最后由阻尼装置吸收剩下的能量。

①压杆调平。用专业的杆轴调平仪器，将杆的轴线调制在同一条直线上，保证各杆端接触面能够重合，再在压杆上涂上黄油来减少滑动摩擦力。

近几年来，个人征信系统的发展突飞猛进。个人信用报告作为企业签约客户的重要依据，对降低企业应收账款风险有着重要的意义。

②粘贴应变片。在压杆的设定位置上先用酒精擦去杆表面氧化层，再粘贴上电阻式应变片接入超动态数据采集系统。

③空打测试。为判断实验装置是否准确，在实验前，要做一次空打测试。

④垫片安装。为避免在高气压下子弹以高速冲击入射杆和反射杆，导致杆端产生破坏和损伤，需要在试件和两杆接触端垫上两块垫片。

⑤试件安装。将与入射杆和反射杆所接触的两端均匀地涂上凡士林，放置在两个垫片之间用两杆夹紧。

⑥将子弹捣入膛口。将气压加载到预定的气压值，等待命令开阀。

⑦将子弹发射。在一次冲击结束后将实验数据做好采集储存，将破坏的试件进行收集，并清理杆端和设备周围。

①建立子弹长为400mm，直径75mm，入射杆长为4000mm，直径75mm，试件直径70mm，厚度为35mm和投射杆长为2500mm，直径为75mm的模型。

②划分网格。将子弹沿长度方向划分80份，径向划分14份。入射杆长度方向划分800份，径向划分14份，试件厚度方向划分14份，中空内小的混凝土部分径向划分10份，中空内中等的混凝土部分径向划分14份，中空内大的混凝土部分划分为18份，钢管径向都划分为2份。透射杆长度方向划分为500份，径向划分为14份。

③创建PART。将子弹，入射杆，试件的混凝土部分，试件的钢管部分和透射杆模型按顺序建立。

④建立接触。本模拟中子弹和入射杆之间建立自动面面接触，而试件的端面和入射杆，透射杆之间建立侵蚀面面接触。

⑤设置材料本构模型。本文选用K&C模型模拟高速冲击下的混凝土，钢管采用Cowper_symonds本构和塑性随动强化模型*MAT PLASTIC KINEMATIC，并设置参数。

⑥施加约束，设置加载速度，设置沙漏和粘性系数。设置计算时间，设置文件输出类型与频率，输出K文件。

2 试验结果与结论分析

在3种中空夹层钢管混凝土试件在一种气压（0.2MPa）下一次冲击下试验和模拟的应力峰值分别为zknx（试验峰值应力）为124 MPa，zknx（模拟峰值应力）为118 MPa。zknz（试验峰值应力）为92 MPa，zknz（模拟峰值应力）为95 MPa。zknd（试验峰值应力）为86 MPa，zknd（模拟峰值应力）为87 MPa。

通过本次试验，小直径中空夹层钢管混凝土比中等直径中空夹层钢管混凝土和大直径中空夹层钢管混凝土的抗轴冲能力较强，而中等直径中空夹层钢管混凝土和大直径中空夹层钢管混凝土的应力峰值相差不大。通过LS-DYNA模拟出三种类型的钢管在试验同等条件下应力应变曲线，虽然与试验值有点区别，但大致表现出了与试验相同的结论。但由于实验试件量和精度的不足，还需要做更多更深入的实验研究。钢管混凝土在以后建筑中将会被大量使用，因此钢管混凝土的力学研究价值仍然有非常大的研究意义，尤其是其动态冲击的力学性能。