CFST框架子结构在不同位置受到坠落碎片冲击时的动态行为

《Journal of Building Engineering》：Dynamic behavior of CFST frame substructures under falling debris impact at different locations

　　王静轩|刘芳玲|李汉军
兰州理工大学土木与水利工程学院，兰州，730050，中国

摘要：在混凝土填充钢管（CFST）复合框架的使用期间，上部结构可能在意外荷载（如爆炸、火灾、地震等）的作用下发生坍塌，导致坠落的碎片撞击下部结构，可能造成人员伤亡和财产损失。本研究使用落锤冲击系统对三种CFST框架次结构进行了测试，这些次结构在钢梁的中跨、1/4跨和梁端采用了全焊接连接接头，以研究不同位置荷载作用下的次结构动态响应。结果表明，随着冲击位置从中跨向梁端的移动，试样的破坏模式从对称的整体弯曲屈服转变为不对称的局部变形；当在梁端受到冲击时，接头区域出现了剪切破坏。撞击位置从中跨向梁端移动时，试样的峰值冲击力和平台值分别增加了5.85%和29.63%，而冲击力的持续时间减少了28.56%。有限元分析表明，与500公斤质量的落锤（冲击高度为3米）相比，1250公斤质量的落锤（冲击高度为6米）下的冲击持续时间和残余位移分别增加了88.58%和166.39%（21.91%和96.31%）。同时，中跨冲击试样表现出更好的能量吸收能力，其主要能量吸收来自钢梁，而梁端冲击试样主要依靠环形板来吸收能量。本文提出了一种简化公式，用于计算不同冲击位置下CFST框架次结构的抗力。研究发现，试样的抗力主要来源于惯性和弯曲效应，占比高达58.98%至73.24%。最后，在理想化假设的基础上，提出了一种简化公式，用于计算不同冲击位置下具有全焊接连接接头的CFST框架次结构的最大垂直位移，并对其进行了验证。这项研究可为未来其他类型框架次结构的动态行为分析提供参考，但其通用性仍需通过进一步实验来验证。

引言
建筑物结构渐进性坍塌的原因复杂多样。在建筑结构的使用期间，如冲击、爆炸、火灾和地震等意外荷载可能导致上部结构坍塌并造成坠落碎片[1]。这些坠落的碎片会与下部结构发生碰撞，从而导致结构的渐进性坍塌，造成严重的人员伤亡和财产损失[2][3]，并对社会产生重大影响。因此，鉴于混凝土填充钢管（CFST）复合结构在工程实践中的广泛应用，有必要对其进行抗冲击性能研究，为该类型结构的工程设计提供参考。根据防坍塌设计的相关指南和规范[4][5][6]，陈等人[7]发现，复合梁在中跨冲击下的能量耗散能力优于钢梁和钢筋混凝土（RC）梁。黄等人[8]和廖等人[9]发现，CFRP加固可以显著提高RC梁和CFST柱的抗冲击性能。参考文献[10][11][12][13]研究了预应力混凝土楼板、CFST柱和梁在低速冲击下的动态响应。高等人[14][15]通过实验和数值模拟研究了方形CFST柱在重复侧向冲击下的变形性能。此外，还研究了钢筋混凝土填充钢管构件[16][17]、自密实碱激活矿渣混凝土填充钢管柱[18]、UHPC包裹的CFST复合柱[19]以及火灾作用后的CFST构件[20]的抗冲击性能。作为结构系统的重要组成部分，梁柱接头决定了整个结构的损坏程度[21][22]。近年来，学者们对接头和框架的抗冲击性能进行了研究，包括RC接头[23][24][25]、PC接头[26]、新型波纹腹板CFST接头[27]、CFST柱-复合梁接头[28][29][30][31]、T型通道接头[32]和带有内置加强环的K型管接头[33]、全焊接和螺栓焊接混合连接接头[34][35][36]、剪切板连接接头[37]、刚性钢接头[38]、端板连接接头[39]以及几何缺陷焊缝的梁柱接头[40]等。研究发现，连接形式对梁柱接头在冲击荷载下的破坏模式和力学性能有显著影响。Kukla等人[41]发现，平端面接头的螺栓断裂限制了接头的抗力性能，而新型接头表现出更优越的抗坍塌性能。此外，王等人[42][43]发现，引入剪力墙和拉钢支撑可以提高CFST复合框架的抗坍塌性能，并且中间柱失效的框架比角柱失效的框架具有更好的抗冲击性能[44]。结构构件在极端荷载作用下会失效，从而导致RC[45][46]和UHPFRC框架[47]结构的局部或整体坍塌。柱的冲击损失显著削弱了结构抵抗渐进性坍塌的能力。沈等人[48]研究了1/3比例4跨CFST柱的钢框架在渐进性坍塌过程中的相变荷载。王等人[1][49]研究了钢框架在坠落碎片冲击下的动态行为，发现不同梁柱连接方式下的钢框架抗冲击性能主要源于初始惯性效应和随后的变形能力。目前，关于建筑结构抗冲击性能的研究主要集中在构件、接头和框架结构的渐进性坍塌上。尽管我们的研究小组之前通过数值模拟研究了CFST柱框架次结构在单层和多层碎片冲击下的动态响应[3]，但缺乏实验研究。近年来，建筑结构的坍塌事故频繁发生，由上部结构坍塌引起的坠落碎片具有很强的随机性，可能在不同位置撞击钢梁。

结论
本研究以具有全焊接连接接头的CFST框架次结构为研究对象，在中跨、1/4跨和梁端连接三个冲击位置进行了落锤试验和数值模拟，系统揭示了次结构在不同冲击位置下的破坏模式演变规律，并定量阐明了次结构的抗力机制。同时，揭示了各组成部分之间的能量耗散分布规律。最后，提出了不同冲击位置下CFST框架次结构抗力和最大垂直位移的简化计算公式，并对其进行了验证。这为该类型结构的坍塌性能研究提供了参考。

节选内容
**次结构选择和详细尺寸**
本研究基于GB 50936-2014[50]设计了12层混凝土填充钢管（CFST）柱-钢梁复合框架作为原型结构。实验对象为位于框架结构底部中间部分的单层单跨平面框架次结构（图1(a)和(b)）。由于试验场地条件和其他因素的限制，试验采用了1/3比例模型。

**整体响应过程**
为了直观观察试样在冲击荷载下的变形过程，使用高速摄像机捕捉并记录试样的变形响应过程，如图4所示。在t = 0时，落锤与试样接触，试样开始向下移动并发生变形。当t = 12.40 ms（t = 10.37 ms）时，试样FW-M（FW-Q）的冲击位置达到最大垂直位移39.80 mm（33.99 mm）。

**建模方法**
开发了适用于落锤冲击试验的精细有限元（FE）模型，图9展示了FW-M试样在中跨冲击下的模型细节。使用离散壳体刚体（R3D4）来模拟落锤，使用实体元素（C3D8R）来模拟其他构件。“表面-表面”接触（显式）用于定义落锤与钢梁之间的相互作用，以及钢管与混凝土之间的接触。

**内力分析**
为了获得CFST框架次结构在冲击荷载下的内力发展，根据试验中测得的截面应变[1]计算了截面的弯矩和轴力，计算公式[1][3]如下（方程式11）、（12）。其中εi分别对应图8(a)中同一截面的四个应变。同时，通过接头和冲击位置处的关系可以进一步获得弯矩。

**传统计算方法**
传统上常用简化的弹簧-质量系统来模拟结构的动态响应。对于冲击荷载下的结构响应计算，常用的方法是等效能量法，该方法将冲击荷载量化为等效静荷载[60]。例如，EC1[61]中水平硬冲击场景的等效能量原理表示为方程式（18）。调整和组织各项后得到位移响应要求。

**结论**
本研究以混凝土填充钢管（CFST）柱的框架次结构为研究对象，通过落锤冲击试验和数值模拟研究了平面次框架在不同冲击位置下的动态响应。研究结果表明：
（1）随着冲击位置从中跨向梁端的移动，中跨的对称弯曲变形逐渐转变为梁端的剪切变形，峰值冲击力发生变化。

**作者贡献声明**
李汉军：验证、方法论、调查。
王静轩：撰写－审稿与编辑、项目管理、方法论、概念化。
刘芳玲：撰写－原始草稿、调查、形式分析。

**未引用参考文献**
[29]; [30]

**利益冲突声明**
作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

**致谢**
作者感谢国家自然科学基金（编号：52368021、52068047）、甘肃省基础研究创新团队基金（编号：24JRRA169）、兰州理工大学青年科技人才创新项目（编号：2023-QN-40）、兰州理工大学红柳洁青人才支持计划项目（编号：2024QNGR15）以及兰州大学优秀青年人才项目的资助。