长期持荷工况下钢管混凝土构件抗撞击性能学习体会

文献概况与研究意义

王文达等人在《爆炸与冲击》2021年第41卷第8期发表的这篇论文，利用ABAQUS有限元软件研究了长期荷载作用对钢管混凝土构件抗撞击性能的影响。研究受国家自然科学基金（51778274）、甘肃省高等学校协同创新团队项目（2018C-08）及兰州市科技计划（2019-1-61）资助，由兰州理工大学土木工程学院团队完成。

钢管混凝土构件广泛应用于高层建筑、桥梁、核电站等重要工程结构，这些结构在服役期间长期承受自重和活荷载的作用。同时，重要工程结构可能面临车辆撞击、爆炸冲击等意外荷载的威胁。长期持荷与撞击荷载的耦合作用，是结构抗撞击设计中不可忽视的复杂工况。论文的研究为长期持荷条件下钢管混凝土构件的抗撞击性能评估提供了重要的理论依据。

数值模拟方法与模型建立

耦合分析模型

论文建立了长期荷载与侧向撞击荷载作用的耦合分析模型，采用ABAQUS有限元软件进行数值模拟。模型考虑了以下关键因素：

• 长期荷载作用下的混凝土徐变效应；
• 钢管与混凝土之间的界面滑移；
• 撞击荷载的动力响应；
• 撞击后剩余受压承载力计算。

对比分析方案

论文对比了两种加载模式：

核心数值模拟结果分析

动力响应差异

数值模拟揭示了长期持荷对构件抗撞击性能的显著影响：

1. 撞击力峰值和平台值下降：长期荷载作用下，构件在撞击前的刚度已经降低，导致撞击力峰值和平台值下降。这是因为长期荷载引起的混凝土徐变和钢管塑性变形降低了构件的初始刚度。
2. 撞击时间延长：构件刚度降低导致撞击持续时间延长，冲击能量释放更加缓慢。
3. 跨中挠度增大：长期荷载已经产生了初始变形，叠加撞击变形后总挠度增大。
4. 撞击力做功基本不变：虽然撞击力峰值下降，但撞击时间延长，两者相乘得到的撞击力做功基本保持不变。这说明长期荷载并没有改变撞击能量的输入总量，而是改变了能量释放的方式。

能量耗散机制

论文采用能量分析法揭示了撞击过程中的能量耗散机制：

• 轴向荷载做功增大：长期持荷模式下，撞击过程中轴向荷载做功比一次加载模式增大。这是因为长期荷载已经使构件产生了较大的轴向变形，撞击引起的横向变形导致轴向荷载做功增大。
• 外钢管塑性变形耗散：增加的功主要通过外钢管的塑性变形耗散，核心混凝土贡献较小。这是因为长期荷载下混凝土已经产生了徐变变形，其刚度降低，对撞击变形的约束能力减弱。

剩余受压承载力

论文采用剩余受压承载力系数量化分析了撞击后构件的承载能力：

• 长期荷载作用下构件的剩余受压承载力系数均低于一次加载模式；
• 撞击条件相同时，一次加载模式下撞击后可以继续承载的构件，在考虑长期荷载作用时可能会丧失承载能力；
• 这一发现具有重要的工程安全警示意义。

影响因素分析

论文进一步考察了以下因素对长期持荷影响程度的调节作用：

与工程实践的关联

结构安全评估

论文的研究成果对以下工程场景具有重要的指导意义：

1. 核电站安全壳：核电站安全壳长期承受内部压力和温度荷载，同时需要抵抗外部撞击（如飞机撞击、爆炸冲击）。长期持荷对抗撞击性能的影响必须纳入安全评估。
2. 桥梁抗撞击设计：桥梁长期承受车辆荷载和自重，同时需要抵抗车辆撞击和爆炸冲击。长期荷载对抗撞击性能的影响应纳入桥梁抗撞击设计。
3. 高层建筑核心筒：高层建筑核心筒长期承受轴力，同时需要抵抗地震和爆炸冲击。长期持荷对抗震和抗爆性能的影响需要综合评估。

设计建议

基于论文的研究成果，提出以下设计建议：

• 对长期承受大轴力的钢管混凝土构件，抗撞击设计应考虑长期荷载的累积效应；
• 在抗撞击设计中，建议采用长期持荷模式下的撞击响应作为设计依据，而非一次加载模式；
• 通过提高含钢率和钢材屈服强度，可以有效减小长期荷载对抗撞击性能的不利影响；
• 在结构设计中优化荷载分配，降低长期荷载比，是提高抗撞击性能的有效途径。

关键疑问与工程反思

论文的研究为长期持荷条件下钢管混凝土构件的抗撞击性能评估提供了重要的理论依据，但仍有以下问题值得进一步探讨：

第一，数值模拟结果需要试验验证。长期荷载与撞击荷载的耦合试验实施难度较大，需要开发专门的试验装置和加载程序。建议开展缩尺模型的耦合加载试验，验证数值模拟结果的可靠性。

第二，混凝土徐变模型的适用性。论文采用的混凝土徐变模型是否适用于长期持荷工况下的撞击分析，需要进一步验证。不同强度等级、不同养护条件的混凝土，其徐变特性存在差异。

第三，长期持荷时间对抗撞击性能的影响规律。论文主要考察了特定长期持荷时间下的抗撞击性能，但长期持荷时间从几个月到几十年不等，其对抗撞击性能的影响规律尚需系统研究。

学习心得与启示

这篇论文的研究让我深刻认识到，结构抗撞击设计不能孤立地考虑撞击荷载，必须充分考虑长期持荷的累积效应。长期荷载通过降低构件刚度、改变能量耗散机制、减小剩余承载力等途径，显著削弱了构件的抗撞击性能。

从工程安全角度，这一发现具有重要的警示意义：按照一次加载模式设计的抗撞击结构，在实际长期持荷工况下可能无法达到预期的抗撞击性能。建议在重要工程结构的抗撞击设计中，采用长期持荷模式下的撞击响应作为设计依据，并适当提高安全裕度。

该研究为长期持荷条件下钢管混凝土构件的抗撞击性能评估提供了重要的理论依据，其结论对提高重要工程结构的安全可靠性具有重要的参考价值。