雙鋼板混凝土組合結構主要由雙層鋼板和內填混凝土組成,在核電廠房、高層建筑、防護結構等工程領域中得到了廣泛應用。這種結構充分發揮了混凝土和鋼材的材料特性:在荷載作用下,內部混凝土處于三向應力狀態,強度和塑性得以提高;外側鋼板在連接件的拉結和混凝土的支撐下,不會過早發生屈曲。
雙鋼板混凝土組合結構抗沖擊性能的研究進展
雙鋼板混凝土組合結構主要由雙層鋼板和內填混凝土組成,在核電廠房、高層建筑、防護結構等工程領域中得到了廣泛應用。這種結構充分發揮了混凝土和鋼材的材料特性:在荷載作用下,內部混凝土處于三向應力狀態,強度和塑性得以提高;外側鋼板在連接件的拉結和混凝土的支撐下,不會過早發生屈曲。
除承擔各種靜力荷載(恒荷載和活荷載)以及風荷載和地震作用等外,結構在服役期間還可能承受意外沖擊的作用。例如,船舶、浮冰等對海上平臺的撞擊;汽車對橋梁墩柱的撞擊;飛機對高層建筑物的撞擊;高壓容器破裂產生的流體噴射和反作用力對結構的沖擊等。如果在設計中對此類強動力特性的沖擊問題沒有予以充分考慮,結構很可能在服役期間發生損傷,甚至突然破壞,造成人員和財產的巨大損失。
目前,各國現有的設計規范或規程主要針對SC結構的抗震設計,如日本JEAC 4618—2009 、韓國KEPIC—SNG、美國AISC N690s1—15和中國GB/T 51340—2018《核電站鋼板混凝土結構技術標準》等,但很少涉及SC結構的抗沖擊性能。國內外對SC結構的抗沖擊性能開展了一些試驗研究、數值模擬和理論分析,但仍存在很多關鍵問題值得進一步探討。
9·11事件發生后,假想的大型商用飛機撞擊結構的問題,成為了迫在眉睫的“現實風險”。從SC結構的抗沖擊設計要求來看,主要包括兩個方面:其一是防止結構發生局部貫穿,其二是限制結構產生較大的整體變形。從試驗方法和對應實際工況來看,目前對沖擊問題的研究可以分為高速沖擊和低速沖擊。除了沖擊物速度的影響,結構的破壞形式還與沖擊物的質量、形狀以及結構本身的動力學特性有關。本文從實際工況、試驗方法、輸入能量、結構響應、破壞機制、適用理論和設計重點等方面,定性地對低速沖擊和高速沖擊進行對比,見表 1。
大量試驗研究顯示,高速沖擊作用下RC結構的局部破壞形式分為3種(圖1)。為了防止結構背沖擊側混凝土碎塊飛射,使用鋼板覆蓋表面是提高結構抗沖擊性能的一種有效的加固手段。通過使用結構膠或機械連接件,將鋼板與RC結構連接,形成的有襯結構(steel faced concrete,簡稱SFC結構)具有很好的抗沖擊性能。
外側鋼板的存在使得SC結構與SFC結構十分類似,具有很好的抗沖擊性能。兩者的區別在于,SFC結構保留了RC結構的受力鋼筋,表面鋼板只用來提高結構抗沖擊性能;而SC結構通常不設置受力鋼筋,采用鋼板代替鋼筋承擔荷載。因此,SC結構的早期研究也主要側重于使用鋼板代替鋼筋后結構的靜力性能和抗震性能,其抗沖擊性能直至2005年才受到關注。