填混凝土预制 UHPC 管状组合柱的侧向冲击性能

《Engineering Structures》：Lateral impact behavior of Concrete-filled prefabricated UHPC tubular composite column

　　

摘要

本研究提出了一项实验性调查，旨在研究一种新型混凝土填充预制超高性能混凝土管（CFUT）复合柱在侧向撞击下的行为。该CFUT柱由离心预制UHPC外管和内部填充的普通混凝土组成。CFUT的显著特点在于其具有损伤容忍能力的UHPC管，能够提供优越的约束作用和增强的抗撞击韧性。利用水平撞击设施对六个1/3缩尺试件进行了侧向撞击试验，关键参数包括钢纤维体积分数和横向配筋间距，撞击速度范围为2.56至5.03 m/s。实验结果表明，随着撞击能量的增加，破坏模式从弯剪型逐渐转变为脆性剪切主导型破坏模式。关键的是，UHPC管中加入钢纤维在保持结构完整性方面比钢筋混凝土柱更为有效。尽管减小箍筋间距对缓解局部剪切损伤有效，但初始峰值撞击力主要由局部接触刚度和惯性效应主导，而非横向配筋。本研究建立了一个简化的设计框架，在准静态侧向承载能力与动态位移需求之间建立了可靠的相关性。结果表明，CFUT柱具有卓越的能量耗散和抗撞击能力，为关键基础设施在意外车辆或船舶碰撞事故中的防护提供了一种稳健的解决方案。

引言

全球城市化的快速发展要求建设大规模基础设施，包括大跨桥梁和关键海上设施。这些结构越来越容易受到极端动力事件的影响，如意外车辆或船舶碰撞，这些事件对桥墩等关键承重构件施加了高应变率需求和复杂的剪切-弯曲相互作用。数十年来，钢筋混凝土（RC）一直是主要的建筑材料。然而，在侧向撞击下，传统RC柱经常因混凝土抗拉强度快速退化以及横向箍筋无法在高应变率下阻止斜裂缝而产生灾难性的脆性剪切破坏。钢管混凝土（CFST）柱作为一种替代方案应运而生，具有优越的能量耗散和延性。钢管提供连续约束并防止混凝土剥落，同时混凝土填充延缓了局部屈曲。尽管CFST构件具有这些优势，但在撞击和恶劣环境下仍面临关键脆弱性，例如暴露在外的钢管在火灾事件中容易发生快速结构退化，在富含氯离子的海洋环境中极易腐蚀，需要昂贵的全生命周期维护。

为解决这些多材料挑战，研发了一种新型结构构件，即混凝土填充超高性能混凝土管（CFUT）复合柱。如图1所示，该混合系统由预制UHPC外管、普通中等强度混凝土（NC）核心以及跨越外管和内核心的连续内部钢筋笼组成。CFUT系统的设计旨在利用UHPC卓越的机械性能和耐久性能，其特征为致密微观结构、超高抗压强度和应变硬化行为，以创建更具韧性的结构构件。CFUT柱优越的静态和抗震性能，以UHPC外管提供的稳健环向约束和基体应变硬化行为为特征，可能为其潜在的抗撞击能力提供强有力的理论基础。从力学角度看，高刚度UHPC管可显著增强局部接触刚度，减轻初始撞击损伤并延迟局部压碎。此外，连续约束抑制了内核心混凝土在高应变率下的快速横向膨胀，而地震荷载下观察到的优异能量耗散能力表明，通过基体微开裂和纤维拔出吸收撞击动能具有高度潜力。

近年来学术界对CFUT系统的关注主要集中在静态和抗震行为方面。在静态轴向性能方面，Shan等人、Deng等人以及Li等人的研究表明，CFUT柱显著优于传统箍筋约束的高强混凝土柱。这种优越的抗压能力主要归因于高强UHPC管对混凝土核心施加的显著横向约束，有效提高了核心的承载能力和变形极限。为使这些系统适应恶劣的海洋环境，研究转向了耐腐蚀配筋的整合。Zeng和Long、Zeng等人以及Tian等人探讨了在CFUT框架中使用纤维增强聚合物（FRP）筋和不锈钢网，得出结论认为此类改造非常适合海上基础设施，如管道和桥梁。值得注意的是，Shan等人证明了在FRP加固UHPC管内填充海水海砂混凝土的可行性。其结果证实，预制UHPC管不仅提供有效约束，还可作为永久模板，简化偏远海洋地区的施工。除了轴向构件外，Zeng等人对CFUT梁的研究发现，FRP加固CFUT截面的极限弯曲承载力几乎达到相同配筋传统混凝土梁的两倍，同时提供增强的抗剪能力。在地震荷载下，CFUT柱表现出高度延性的弯曲破坏模式，显著优于传统RC柱，这得益于UHPC管与填充体之间保持的可靠协同作用。此外，UHPC管的致密微观结构作为有效的环境屏障，显著减少了徐变并保护核心免受氯离子腐蚀。

然而，将这些准静态和抗震优势转化为侧向撞击所涉及的高应变率、短持续时间领域仍是一个基本的科学问题。对传统材料的现有撞击研究突出了不同的动态脆弱性。对于RC柱，Demartino等人及Zhou等人证实，抗剪不足的RC桥墩在车辆撞击下会发生脆性剪切倒塌，惯性力显著改变了剪切-弯曲相互作用。对于CFST柱，Lai等人研究了其侧向撞击性能，指出虽然钢管增强了能量吸收，但该系统在高能量下仍容易发生局部凹陷和整体失稳，同时存在长期腐蚀风险。虽然纯UHPC构件由于致密基体和纤维桥接表现出优异的抗撞击能力，但大规模桥墩使用实心UHPC的成本高昂，限制了其实际应用。CFUT系统通过将昂贵的UHPC仅保留在高度受力的外管中使用，提供了一种高度经济的替代方案。

尽管对RC、CFST和UHPC进行了广泛研究，但新型CFUT复合系统在侧向撞击下的动态响应仍完全未被探索。CFUT柱在撞击下的复杂剪切-弯曲-惯性相互作用、能量耗散规律和剩余承载能力无法简单地从已有记录的静态或抗震行为中推断。高应变率效应可能从根本上改变组合作用、局部接触力学和破坏模式转变。

因此，本研究提出了一项实验性调查，研究CFUT柱在低速度侧向撞击下的动态响应。通过考察钢纤维含量和横向配筋构造的影响，本研究旨在揭示基本的动态破坏机制和能量耗散规律。基于实验数据，提出了一种初步的简化预测模型，以关联准静态侧向承载能力与动态位移需求。此外，引入了一个概念性的基于性能的评估框架，展示了CFUT在防护设计中的潜在应用，同时承认未来需要进行广泛的参数验证。

章节片段：混凝土填充预制UHPC管柱（CFUT）试件

混凝土填充预制UHPC管柱（CFUT）由外部预制UHPC管（外径300 mm，壁厚35 mm）和普通混凝土核心组成，如图1所示。这些尺寸的选择是为了代表典型建筑柱或桥墩的1/4至1/3缩尺模型。选择此缩尺方案的理由在于，首先，确保试件符合水平撞击设施的能量和物理容量约束；其次，保持与足尺构件相似的破坏模式和行为特征；最后，考虑到UHPC预制管的成本效益。试件配置见表1。UHPC管的钢纤维体积分数是主要变量，取值为0%、1%和1.5%。箍筋间距为100 mm或150 mm。试件按系列命名，其中"L"系列代表低速度撞击组，"H"系列代表高速度撞击组。

撞击后损伤

图4展示了所有试件从四个高度（右、前、后、左）的撞击后损伤模式，红色线条突出了撞击过程中产生的裂缝。

L系列试件表现出弯剪组合破坏模式，其特征是从撞击点延伸至基础的斜向剪切裂缝和背面竖直方向的弯曲裂缝。与UL1相比，抗剪不足的试件（UL2，图4(c)）表现出更为明显的脆性剪切破坏特征，伴随着更严重的混凝土剥落和更显著的变形局域化。

动态性能

表4提供了所有测试试件主要动态性能指标的定量汇总。这些指标的物理定义和推导方法如图9所示，图9提供了撞击力-时间历程和相应力-位移关系的示意图。初始撞击速度（????）通过数字光纤传感器和激光测速仪精确测定（如图3(a)所示）。

结论

本研究实验性地调查了混凝土填充预制UHPC管柱（CFUT）的侧向撞击行为，并建立了一个简化的基于性能的设计框架。主要结论如下：

- 钢纤维增强对抗撞击韧性至关重要。在UHPC管中加入1 vol%钢纤维可有效限制斜向开裂和混凝土剥落，将破坏模式从脆性剪切转变为延性弯剪响应。
- CFUT柱表现出卓越的能量耗散和抗撞击能力，为关键基础设施在意外车辆或船舶碰撞事故中的防护提供了一种稳健的解决方案。

CRediT作者贡献声明

熊贝贝：撰写—审阅与编辑、撰写—原始稿、调查、资金获取、形式分析。林志成：撰写—原始稿、方法学、调查、形式分析。魏敬宇：撰写—审阅与编辑、方法学、概念化。赖大德：撰写—审阅与编辑、撰写—原始稿、监督、资金获取、形式分析、概念化。廖飞宇：撰写—审阅与编辑、监督、项目管理。

利益冲突声明

作者声明没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文所报道的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（NSFC，批准号：52408161和52378140）和江苏省高等学校自然科学基金（编号：25KJB560011）的支持。

熊贝贝 | 林志成 | 魏敬宇 | 赖大德 | 廖飞宇 | Cristoforo Demartino
南京理工大学土木工程学院，南京，211816，中国