钢管混凝土构件是由混凝土灌注入钢管形成的,属于套箍混凝土类。是一种典型的非匀质建筑结构材料。由于钢管与核心混凝土之间的相互作用,钢管混凝土能够充分发挥钢管与混凝土两种材料的受力和变形优点,同时克服了两者受力和变形方面的缺陷,体现出承载力高、变形大,吸能性良,冲击韧性好、施工便捷等等优势,已经在高层建筑、大跨度桥梁、地铁、国防军事等重要工程结构中广泛使用,主要充当轴心受压或小偏心受压构件。在服役期间,它会受特殊荷载组合下侧向集中动力作用,如偶发事故中受固体冲击块侧向冲击。钢管混凝土构件的失效就意味结构的刚度、强度以及稳定性的下降,会引起结构的失效和工程的失事等一系列问题。因此钢管混凝土的耐撞性能的研究是本领域关注的前沿课题,急需理论界对它的抗冲击能力做出客观的评价。然而,由于应力波在钢管混凝土构件中的传播途径、钢管材料、混凝土材料、钢管和混凝土之间粘结关系、局部破坏与整体变形的耦合的复杂性,所以研究钢管混凝土构件在侧向集中冲击荷载作用下的反应特征和破坏模式是非常困难的。本文采用模型实验、数值计算和理论分析三种方法对钢管混凝土构件抗侧冲性能和动力学行为进行探讨,研究了钢管混凝土构件在刚性冲击块侧向冲击荷载作用下的反应特征和破坏模式,分析了动力响应的影响因素和影响规律,预测了临界冲击能量。主要研究工作和结论有下面几点:1、在试验方面开展了钢管混凝土构件的静力试验和侧向冲击试验两类。静载力学性能试验开展了三项,即钢管材质试件的静力拉伸试验、用于作核心混凝土的同批混凝土立方体试块抗压强度试验、钢管混凝土构件静力弯曲试验。钢管混凝土侧向冲击试验及动力冲击比照试验也开展了三项,包括59根钢管混凝土侧向冲击试验、18根钢筋混凝土侧向冲击试验、18根空钢管侧向冲击试验。静态集中横力弯曲试验在国产500kN YAW-5000型微机控制电液伺服压力实验机上进行。共开展两类边界条件、三种钢管壁厚的试验。记录了荷载—挠度关系全过程曲线。曲线表明,在多数工况下集中横力有稳定的平台值,破坏前经历了较大的侧向挠度弯曲变形,试件的破坏为典型的正截面弯曲破坏。构件在预加轴力后再受刚性块侧向冲击的试验是利用DHR9401型落锤式冲击实验机和自制槽钢刚架来完成。分三类边界条件(两端简支、一端固定一端简支、两端固定)、三种钢管壁厚(1.7mm、3.5 mm、4.5 mm)、三种轴压比(0、0.3、0.6)来实施。试验结果表明:构件变形除了呈V型的整体变形外,在冲击部位和支座部位有明显的局部变形。破坏形态主要有剪切型、弯曲型和失稳型。随冲击能量、轴压比的增大,整体破坏模式表现为弯曲破坏(冲击部位或固定端支座部位的钢管受拉区开裂直到全断面断裂)和剪切断开、失稳。局部破坏模式为冲击部位或固定端支座部位试件表面皱曲、圆截面的扁化。试验中记录了侧向冲击力时程曲线。从曲线分析,冲击力变化过程可划分为三个阶段,即峰值阶段、平台值阶段和消退阶段。构件跨中截面钢管开裂时对应的临界冲击能量与支撑条件密切相关,两端简支和一端固定一端简支构件的临界冲击能量大约分别为两端固定构件的40%和75%。预加轴压力使侧向冲击力时程曲线只经历了冲击力峰值和卸载两个阶段,而没有冲击力平台值阶段;轴压比对构件抗冲击性能的影响显著:当轴压比较小(0.3)时,轴压力的存在能够提高钢管混凝土构件的抗侧冲能力,当轴压比较大(0.6)时,情况则相反。钢筋混凝土侧向冲击试验、空钢管侧向冲击试验是用来与钢管混凝土作对比,通过分析侧向冲击力和侧向挠度,证明钢管混凝土的耐撞性能在同样条件下优于钢筋混凝土和空钢管。2、在数值分析方面,数值研究分析基于LS-DYNA10.0软件进行,在阅读大量文献和参考物理试验结果的基础上,确定出适宜于三类边界条件(两端简支、一端简支一端固定、两端固定)下钢管混凝土构件抗侧冲研究分析的材料模型和参数。对钢管混凝土构件受侧向冲击的响应进行了仿真分析,得到了冲击力时程曲线、应力、应变、侧向位移、侧向速度等特征量,与试验相比较有较好一致性。在验证了数值模型精确性的前提下,利用计算机仿真技术进行拓展模拟,获得了冲击能量、套箍系数、边界条件、轴压比对试件动力响应的影响规律,得到了两端简支、一端简支一端固定两类边界条件下临界能量-套箍系数关系曲线。两端简支构件套箍系数与临界冲击能的函数关系为Ec r= 38.8ξ2+ 12.5ξ+ 4.6;一端固定一端简支构件套箍系数与临界冲击能的函数关系为Ec r= 78ξ2? 20ξ+ 11(KJ)。3、理论分析方面:建立了两端固定边界条件的钢管混凝土构件侧向冲击响应问题的理论分析模型。模型中包括几项假定:几何等截面直杆(故分析中可忽略几何初始非线性效应和全过程中的转动效应),沿构件纵轴方向材料性能为均质(故弹塑波沿纵轴方向的传播速度为定值,从冲击点处向两侧发展的塑性铰沿纵轴方向的移行速度相等),视钢管混凝土为统一材料。在接触到冲击完成整个过程,假定刚性撞击块与构件形成接触-冲击系统。当构件受侧向冲击后,假定在冲击点处形成一个驻定的塑性铰,且在冲击点左右两侧对称地形成两个塑性铰并分别向两端支座移动,侧向速度场呈线性分布。假定钢管混凝土的屈服是由轴力、剪力和弯矩共同决定,并设出屈服方程。对冲击块与构件建立力、力矩微分平衡方程。由线性侧向速度场建立运动和几何近似方程。由此得到侧向冲击的动力响应方程组。采用四阶Runge-kutta法求解,通过开发fortran77程序,得到侧向位移、侧向速度、内力以及局部剪切变形。并经算例分析,结果与物理实验很接近。