三肢鋼管混凝土格構(gòu)柱滯回性能及關(guān)鍵影響因素探究一、緒論1.1鋼管混凝土的特性與發(fā)展鋼管混凝土是一種將混凝土填充于鋼管內(nèi)而形成的組合結(jié)構(gòu)材料，它巧妙地結(jié)合了鋼管與混凝土的優(yōu)勢(shì)。從材料特性來看，鋼管具有良好的抗拉和抗彎性能，而混凝土則在抗壓方面表現(xiàn)出色。當(dāng)兩者組合成鋼管混凝土?xí)r，鋼管對(duì)核心混凝土形成約束作用，使混凝土處于三向受壓狀態(tài)，延緩混凝土內(nèi)部縱向微裂縫產(chǎn)生和發(fā)展的時(shí)間，從而顯著提高了混凝土的抗壓強(qiáng)度和抵抗變形能力。同時(shí)，核心混凝土的存在也能有效防止鋼管過早發(fā)生局部屈曲，保證了鋼管材料性能的充分發(fā)揮。在實(shí)際應(yīng)用中，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出諸多獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。其承載力高，一般高于組成它的鋼管和核心混凝土單獨(dú)承載力之和，在相同荷載要求下，可減小構(gòu)件截面尺寸，節(jié)省建筑空間，這對(duì)于一些對(duì)空間利用率要求較高的建筑項(xiàng)目，如高層建筑、大跨度橋梁等具有重要意義。良好的塑性和抗震性能也是鋼管混凝土的一大亮點(diǎn)，在地震等災(zāi)害發(fā)生時(shí)，能夠通過自身的變形消耗能量，有效保障結(jié)構(gòu)的安全。此外，鋼管混凝土施工相對(duì)簡單，鋼管可作為澆筑混凝土的模板，減少了模板的使用和安裝工序，大大縮短了工期，降低了施工成本。并且，鋼管混凝土柱的耐火性能優(yōu)于鋼柱，在火災(zāi)發(fā)生時(shí)能為人員疏散和消防救援爭取更多時(shí)間。鋼管混凝土的發(fā)展歷程見證了建筑材料與結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的不斷創(chuàng)新。其起源可追溯到19世紀(jì)末，早期主要應(yīng)用于一些小型建筑和臨時(shí)結(jié)構(gòu)中。隨著材料科學(xué)和工程技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們對(duì)鋼管混凝土的性能和應(yīng)用有了更深入的研究和認(rèn)識(shí)，其應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大。20世紀(jì)60年代至70年代，世界各國開始廣泛開展對(duì)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的研究和探索，通過大量的試驗(yàn)和理論分析，建立了相關(guān)的設(shè)計(jì)理論和方法，使其在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用更加規(guī)范和科學(xué)。我國對(duì)鋼管混凝土的研究起步相對(duì)較晚，但發(fā)展迅速。自改革開放以來，隨著建筑行業(yè)的蓬勃發(fā)展，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)因其顯著的優(yōu)勢(shì)受到了廣泛關(guān)注和應(yīng)用。如今，在高層、超高層建筑中，鋼管混凝土柱被大量采用，以滿足結(jié)構(gòu)對(duì)承載力和空間利用的要求；在橋梁工程中，鋼管混凝土拱橋、斜拉橋等結(jié)構(gòu)形式不斷涌現(xiàn)，為橋梁建設(shè)提供了更經(jīng)濟(jì)、更安全的解決方案；在工業(yè)廠房、電力設(shè)施等領(lǐng)域，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)也憑借其獨(dú)特的性能優(yōu)勢(shì)得到了廣泛應(yīng)用。1.2研究背景與意義在現(xiàn)代工程建設(shè)中，許多項(xiàng)目面臨著大荷載偏心率或長細(xì)比的挑戰(zhàn)。例如，在一些大跨度橋梁、高聳的輸電塔以及重型工業(yè)廠房等工程中，結(jié)構(gòu)構(gòu)件需要承受復(fù)雜的荷載作用，對(duì)構(gòu)件的承載能力和穩(wěn)定性提出了極高要求。在這些情況下，三肢鋼管混凝土格構(gòu)柱憑借其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)形式和力學(xué)性能優(yōu)勢(shì)，成為一種理想的選擇。三肢鋼管混凝土格構(gòu)柱由三根鋼管混凝土柱肢通過綴材連接而成，這種結(jié)構(gòu)形式能夠充分發(fā)揮鋼管混凝土的高強(qiáng)承載特性，同時(shí)通過合理布置柱肢和綴材，有效地提高了構(gòu)件在大荷載偏心率或長細(xì)比情況下的抗彎和抗扭能力。與傳統(tǒng)的單肢鋼管混凝土柱相比，三肢格構(gòu)柱在相同材料用量下，能夠提供更大的截面抗彎剛度和穩(wěn)定性，更好地適應(yīng)復(fù)雜的受力工況。例如，在重型工業(yè)廠房中，吊車梁傳來的荷載往往具有較大的偏心率，三肢鋼管混凝土格構(gòu)柱可以有效地承受這種偏心荷載，保證廠房結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定；在高聳的輸電塔結(jié)構(gòu)中，長細(xì)比較大的構(gòu)件需要具備良好的抗風(fēng)、抗震性能，三肢格構(gòu)柱的應(yīng)用能夠顯著提高輸電塔的整體穩(wěn)定性和承載能力。滯回性能是衡量結(jié)構(gòu)在地震等反復(fù)荷載作用下力學(xué)性能的重要指標(biāo)，深入研究三肢鋼管混凝土格構(gòu)柱的滯回性能，對(duì)于保障地震區(qū)工程結(jié)構(gòu)的安全具有至關(guān)重要的意義。在地震作用下，結(jié)構(gòu)會(huì)承受反復(fù)的水平荷載，構(gòu)件的滯回性能直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)的耗能能力、變形能力以及破壞模式。通過對(duì)三肢鋼管混凝土格構(gòu)柱滯回性能的研究，可以揭示其在反復(fù)荷載作用下的力學(xué)行為和破壞機(jī)理，為結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)提供可靠的理論依據(jù)。具體而言，研究滯回性能可以幫助確定構(gòu)件的屈服荷載、極限荷載、延性系數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)，這些參數(shù)對(duì)于評(píng)估結(jié)構(gòu)在地震中的響應(yīng)和破壞程度，以及制定合理的抗震設(shè)計(jì)措施具有重要指導(dǎo)作用。例如，在地震區(qū)的橋梁設(shè)計(jì)中，了解三肢鋼管混凝土格構(gòu)柱橋墩的滯回性能，可以優(yōu)化橋墩的結(jié)構(gòu)尺寸和配筋，提高橋梁在地震中的抗震能力，保障橋梁在地震災(zāi)害發(fā)生時(shí)的正常使用和人員安全。隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷推進(jìn)，特別是在地震頻發(fā)的西部地區(qū)，對(duì)高性能結(jié)構(gòu)構(gòu)件的需求日益增長。三肢鋼管混凝土格構(gòu)柱作為一種具有廣闊應(yīng)用前景的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，其滯回性能的研究不僅有助于推動(dòng)工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)理論的發(fā)展，也能為實(shí)際工程提供科學(xué)的技術(shù)支持，具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國外對(duì)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的研究起步較早，在理論研究和工程應(yīng)用方面都取得了豐富成果。早期，國外學(xué)者主要針對(duì)鋼管混凝土的基本力學(xué)性能開展研究，如對(duì)鋼管混凝土軸心受壓、偏心受壓短柱的力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)和理論分析，建立了相關(guān)的承載力計(jì)算理論。隨著研究的深入，逐步拓展到復(fù)雜受力狀態(tài)下的性能研究以及不同截面形式鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的研究。在格構(gòu)柱研究方面，國外學(xué)者對(duì)鋼管混凝土格構(gòu)柱的靜力性能開展了大量研究，包括構(gòu)件的穩(wěn)定承載力、變形性能等。例如，通過試驗(yàn)研究分析了不同綴材形式、柱肢間距等因素對(duì)鋼管混凝土格構(gòu)柱靜力性能的影響。在滯回性能研究方面，國外部分學(xué)者針對(duì)鋼管混凝土構(gòu)件在反復(fù)荷載作用下的性能進(jìn)行了研究，取得了一些成果。但針對(duì)三肢鋼管混凝土格構(gòu)柱滯回性能的研究相對(duì)較少，研究的系統(tǒng)性和全面性有待提高。已有的研究主要集中在構(gòu)件的抗震性能指標(biāo)分析，如滯回曲線、骨架曲線、耗能能力等，但對(duì)于構(gòu)件在不同工況下的滯回性能變化規(guī)律，以及構(gòu)件的破壞機(jī)理和失效模式在滯回過程中的演變等方面的研究還不夠深入。我國對(duì)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的研究雖然起步較晚，但發(fā)展迅速。近年來，國內(nèi)學(xué)者在鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的理論研究、試驗(yàn)研究和工程應(yīng)用方面都取得了顯著進(jìn)展。在理論研究方面，建立了適合我國國情的鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論和方法，相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)不斷完善。在試驗(yàn)研究方面，開展了大量的不同類型鋼管混凝土構(gòu)件的試驗(yàn)，包括軸心受壓、偏心受壓、受彎、受剪等構(gòu)件的靜力試驗(yàn)以及構(gòu)件在反復(fù)荷載作用下的滯回性能試驗(yàn)。在鋼管混凝土格構(gòu)柱研究領(lǐng)域，國內(nèi)學(xué)者對(duì)其靜力性能和抗震性能進(jìn)行了廣泛研究。在靜力性能研究方面，通過試驗(yàn)和數(shù)值模擬，深入分析了柱肢和綴材的受力特性、構(gòu)件的穩(wěn)定承載力計(jì)算方法等。在抗震性能研究方面，針對(duì)四肢鋼管混凝土格構(gòu)柱等形式開展了較多的滯回性能試驗(yàn)研究，分析了軸壓比、混凝土強(qiáng)度等級(jí)、綴材形式等因素對(duì)構(gòu)件滯回性能的影響。然而，對(duì)于三肢鋼管混凝土格構(gòu)柱滯回性能的研究還相對(duì)匱乏。目前的研究主要集中在少數(shù)的試驗(yàn)研究上，對(duì)構(gòu)件滯回性能的參數(shù)分析不夠全面，缺乏對(duì)構(gòu)件在復(fù)雜受力狀態(tài)下滯回性能的深入研究。在理論分析方面，雖然有一些關(guān)于鋼管混凝土格構(gòu)柱承載力計(jì)算的理論研究，但針對(duì)三肢鋼管混凝土格構(gòu)柱滯回性能的理論模型還不完善，難以準(zhǔn)確預(yù)測構(gòu)件在反復(fù)荷載作用下的力學(xué)行為。1.4研究內(nèi)容與方法本研究主要圍繞三肢鋼管混凝土格構(gòu)柱滯回性能展開，具體研究內(nèi)容涵蓋試驗(yàn)研究、影響因素分析以及承載力計(jì)算方法探討三個(gè)方面。在試驗(yàn)研究方面，精心設(shè)計(jì)并制作一系列不同參數(shù)的三肢鋼管混凝土格構(gòu)柱試件，這些參數(shù)包括柱肢的長細(xì)比、混凝土強(qiáng)度等級(jí)、鋼管壁厚、綴材形式與間距等。通過對(duì)試件施加低周反復(fù)荷載，模擬地震等災(zāi)害作用下構(gòu)件的受力情況，全面觀測試件在加載過程中的破壞形態(tài)、變形特征以及各部位的應(yīng)力應(yīng)變分布情況。記錄并分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制試件的荷載-位移滯回曲線、骨架曲線等，獲取試件的屈服荷載、極限荷載、延性系數(shù)、耗能能力等關(guān)鍵滯回性能指標(biāo)，為后續(xù)深入分析提供詳實(shí)的試驗(yàn)依據(jù)。在影響因素分析部分，基于試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬手段，深入剖析各參數(shù)對(duì)三肢鋼管混凝土格構(gòu)柱滯回性能的影響規(guī)律。研究柱肢長細(xì)比的變化如何影響構(gòu)件的整體穩(wěn)定性和變形能力，分析混凝土強(qiáng)度等級(jí)和鋼管壁厚的改變對(duì)構(gòu)件承載能力和耗能特性的作用機(jī)制，探討不同綴材形式與間距對(duì)構(gòu)件抗扭性能和滯回曲線形狀的影響。通過多參數(shù)的綜合分析，明確各因素對(duì)滯回性能影響的主次關(guān)系，為構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。針對(duì)三肢鋼管混凝土格構(gòu)柱的承載力計(jì)算方法，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)和現(xiàn)有相關(guān)理論，對(duì)現(xiàn)有的設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行對(duì)比分析和驗(yàn)證。依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，評(píng)估現(xiàn)有規(guī)范在計(jì)算三肢鋼管混凝土格構(gòu)柱水平承載力時(shí)的準(zhǔn)確性和適用性，針對(duì)規(guī)范中存在的不足提出改進(jìn)建議。探索建立更貼合三肢鋼管混凝土格構(gòu)柱實(shí)際受力情況的承載力計(jì)算模型，提高計(jì)算結(jié)果的可靠性，為工程設(shè)計(jì)提供更為精準(zhǔn)的計(jì)算方法。本研究采用試驗(yàn)研究與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法。在試驗(yàn)研究中，嚴(yán)格遵循相關(guān)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。從試件設(shè)計(jì)、材料準(zhǔn)備、制作過程到加載試驗(yàn)，每個(gè)環(huán)節(jié)都進(jìn)行精細(xì)把控。例如，在試件設(shè)計(jì)階段，充分考慮各參數(shù)的變化范圍和組合方式，使試件具有代表性；在材料準(zhǔn)備過程中，對(duì)鋼管和混凝土的性能進(jìn)行嚴(yán)格檢測，保證材料質(zhì)量符合要求；在制作過程中，確保鋼管與混凝土的粘結(jié)質(zhì)量以及綴材與柱肢的連接可靠性。通過試驗(yàn)，直觀地獲取構(gòu)件在實(shí)際受力狀態(tài)下的滯回性能數(shù)據(jù)，為研究提供第一手資料。數(shù)值模擬方面，利用有限元軟件建立三肢鋼管混凝土格構(gòu)柱的精細(xì)化模型。在建模過程中，合理選擇材料本構(gòu)模型，精確模擬鋼管與混凝土之間的相互作用，考慮接觸非線性和材料非線性等因素。通過與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比驗(yàn)證，確保模型的準(zhǔn)確性和可靠性。利用驗(yàn)證后的模型，開展大量參數(shù)分析，拓展研究范圍，深入探究不同參數(shù)對(duì)構(gòu)件滯回性能的影響，彌補(bǔ)試驗(yàn)研究在參數(shù)變化范圍和數(shù)量上的局限性。通過試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬的相互補(bǔ)充和驗(yàn)證，全面深入地揭示三肢鋼管混凝土格構(gòu)柱的滯回性能和受力機(jī)理。二、滯回試驗(yàn)理論基礎(chǔ)2.1加載制度確定在結(jié)構(gòu)抗震性能研究中，低周反復(fù)加載試驗(yàn)是一種常用的研究手段，其加載制度對(duì)于準(zhǔn)確獲取結(jié)構(gòu)的滯回性能至關(guān)重要。常見的低周反復(fù)加載制度主要包括位移控制加載、力控制加載以及力-位移混合控制加載。位移控制加載是指在試驗(yàn)過程中，以試件的位移作為控制參數(shù)，按照一定的位移增量逐級(jí)施加反復(fù)荷載。這種加載方式的優(yōu)點(diǎn)在于能夠直觀地反映結(jié)構(gòu)在不同位移水平下的力學(xué)性能，尤其適用于研究結(jié)構(gòu)的變形能力和延性。例如，對(duì)于需要重點(diǎn)考察結(jié)構(gòu)在大變形狀態(tài)下的性能，如地震作用下結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性階段后的反應(yīng)，位移控制加載能夠精確地控制結(jié)構(gòu)達(dá)到預(yù)期的變形狀態(tài)，從而獲取相關(guān)的滯回性能數(shù)據(jù)。在實(shí)際操作中，通常會(huì)根據(jù)結(jié)構(gòu)的預(yù)估屈服位移來確定初始位移增量，隨著加載級(jí)數(shù)的增加，位移增量可適當(dāng)加大，以全面觀察結(jié)構(gòu)在不同變形階段的滯回特性。力控制加載則是以施加的荷載大小作為控制量，按照預(yù)定的荷載增量進(jìn)行加載。該加載方式適用于結(jié)構(gòu)的彈性階段或?qū)Y(jié)構(gòu)承載力有明確要求的試驗(yàn)研究。在彈性階段，結(jié)構(gòu)的變形與荷載基本呈線性關(guān)系，通過力控制加載可以準(zhǔn)確地測定結(jié)構(gòu)的彈性剛度和初始承載力。當(dāng)需要確定結(jié)構(gòu)的極限承載能力時(shí)，力控制加載能夠逐步逼近結(jié)構(gòu)的破壞荷載，為研究結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度特性提供數(shù)據(jù)支持。然而，當(dāng)結(jié)構(gòu)進(jìn)入非線性階段后，由于結(jié)構(gòu)剛度的變化，相同的荷載增量可能導(dǎo)致不同的位移響應(yīng)，使得試驗(yàn)結(jié)果的分析變得復(fù)雜。力-位移混合控制加載結(jié)合了力控制和位移控制的優(yōu)點(diǎn)，在試驗(yàn)的不同階段根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)選擇合適的控制參數(shù)。一般在試驗(yàn)初期，結(jié)構(gòu)處于彈性階段，采用力控制加載，以便準(zhǔn)確測定結(jié)構(gòu)的彈性性能；當(dāng)結(jié)構(gòu)接近屈服或進(jìn)入非線性階段后，轉(zhuǎn)換為位移控制加載，能夠更好地研究結(jié)構(gòu)在大變形下的滯回性能。這種加載制度能夠更全面地反映結(jié)構(gòu)在整個(gè)受力過程中的力學(xué)行為，但對(duì)試驗(yàn)設(shè)備和操作要求較高，需要精確地控制加載參數(shù)的轉(zhuǎn)換時(shí)機(jī)。在選擇加載制度時(shí)，需要綜合考慮試驗(yàn)?zāi)康暮驮嚰匦?。?duì)于以研究結(jié)構(gòu)變形能力和耗能特性為主要目的試驗(yàn)，位移控制加載通常是首選，因?yàn)樗軌蛑苯涌刂平Y(jié)構(gòu)的變形，便于觀察結(jié)構(gòu)在不同變形水平下的滯回曲線和耗能情況。例如，對(duì)于抗震性能研究的試件，由于地震作用下結(jié)構(gòu)主要表現(xiàn)為大變形，位移控制加載可以模擬結(jié)構(gòu)在地震中的實(shí)際變形過程，從而準(zhǔn)確評(píng)估結(jié)構(gòu)的抗震能力。如果試驗(yàn)?zāi)康氖菧y定結(jié)構(gòu)的彈性剛度和初始承載力，力控制加載則更為合適，它能夠在彈性階段精確地施加荷載，獲取結(jié)構(gòu)的彈性力學(xué)參數(shù)。試件的特性也是選擇加載制度的重要依據(jù)。對(duì)于剛度較大的試件，在彈性階段力的變化較為明顯，采用力控制加載可能更有利于觀察結(jié)構(gòu)的初始力學(xué)性能；而對(duì)于剛度較小、變形較大的試件，位移控制加載能夠更好地控制試驗(yàn)過程，避免因力的突然變化導(dǎo)致試件破壞。此外，試件的尺寸、材料特性以及預(yù)期的破壞模式等因素也會(huì)影響加載制度的選擇。例如，對(duì)于小尺寸試件，由于其變形相對(duì)較小，可能需要更精確的位移控制；對(duì)于采用新型材料或特殊結(jié)構(gòu)形式的試件，需要根據(jù)其獨(dú)特的力學(xué)性能來確定合適的加載制度。2.2滯回曲線類型在結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域，滯回曲線是評(píng)估結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在反復(fù)荷載作用下力學(xué)性能的關(guān)鍵工具，不同類型的滯回曲線具有獨(dú)特的特征，能直觀地反映出結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的受力特性、變形能力以及耗能機(jī)制。梭形滯回曲線是一種較為理想的曲線類型，常見于鋼結(jié)構(gòu)以及鋼筋混凝土受彎構(gòu)件。其形狀十分飽滿，這一特點(diǎn)表明結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在受力過程中，從彈性階段到塑性階段的發(fā)展較為連續(xù)，塑性變形能力很強(qiáng)。在整個(gè)加載過程中，構(gòu)件的剛度和強(qiáng)度退化較小，表現(xiàn)出良好的抗震性能和耗能能力。例如，在鋼框架結(jié)構(gòu)中，鋼梁在承受反復(fù)荷載時(shí)，鋼材良好的延性使得構(gòu)件能夠經(jīng)歷較大的塑性變形而不發(fā)生突然破壞，其滯回曲線呈現(xiàn)出梭形，通過滯回曲線所圍成的較大面積，可以看出在地震等反復(fù)荷載作用下，鋼框架能夠有效地吸收和耗散能量，保障結(jié)構(gòu)的安全。弓形滯回曲線通常出現(xiàn)在鋼筋混凝土壓彎構(gòu)件中。該曲線呈現(xiàn)出“捏縮”效應(yīng)，即曲線中間部分出現(xiàn)捏攏現(xiàn)象。這種現(xiàn)象主要是由于構(gòu)件在受力過程中，剪切變形產(chǎn)生的斜裂紋發(fā)生張合所導(dǎo)致。在反向加載時(shí)，斜裂紋閉合所需的力較小，但會(huì)伴隨較大的位移，從而形成了曲線的“滑移”段。盡管弓形滯回曲線的飽滿程度略遜于梭形，但整體仍較為飽滿，說明此類結(jié)構(gòu)或構(gòu)件具有較強(qiáng)的塑性變形能力，在節(jié)點(diǎn)低周反復(fù)荷載試驗(yàn)中，能夠較好地吸收地震能量。例如，在一些配有適量箍筋的鋼筋混凝土壓彎剪構(gòu)件中，箍筋能夠有效地約束混凝土，抑制斜裂紋的開展，使得構(gòu)件在反復(fù)荷載作用下，雖然出現(xiàn)了一定程度的滑移，但仍能保持較好的力學(xué)性能，其滯回曲線呈現(xiàn)出典型的弓形。反S形滯回曲線則反映出結(jié)構(gòu)或構(gòu)件受到了更多的滑移影響。曲線形狀不夠飽滿，表明該結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的延性和吸收地震能量的能力相對(duì)較差。在一般框架、梁柱節(jié)點(diǎn)和剪力墻等結(jié)構(gòu)中，由于節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力集中、鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)滑移等因素，使得構(gòu)件在反復(fù)荷載作用下，容易出現(xiàn)較大的滑移變形，導(dǎo)致滯回曲線呈現(xiàn)反S形。例如，在一些節(jié)點(diǎn)構(gòu)造不合理的框架結(jié)構(gòu)中，節(jié)點(diǎn)處的鋼筋錨固長度不足，在地震作用下，鋼筋容易發(fā)生滑移，使得構(gòu)件的剛度和承載力迅速下降，滯回曲線表現(xiàn)出明顯的反S形特征，這種情況下，結(jié)構(gòu)在地震中的抗震性能較差，容易發(fā)生破壞。Z形滯回曲線的特點(diǎn)是受到了大量的滑移影響，具有明顯的滑移性質(zhì)。小剪跨且斜裂縫能夠充分發(fā)展的構(gòu)件，以及錨固鋼筋有較大滑移的構(gòu)件，其滯回曲線通常呈現(xiàn)Z形。在這類構(gòu)件中，由于剪跨比較小，構(gòu)件主要承受剪力作用，斜裂縫的快速發(fā)展導(dǎo)致構(gòu)件的變形主要以滑移為主。同時(shí)，錨固鋼筋的較大滑移也會(huì)進(jìn)一步削弱構(gòu)件的整體性和承載能力。例如，在一些短柱構(gòu)件中，由于剪跨比小，在反復(fù)荷載作用下，斜裂縫迅速貫穿整個(gè)構(gòu)件，使得構(gòu)件發(fā)生較大的滑移變形，滯回曲線呈現(xiàn)出Z形，這種構(gòu)件在地震等災(zāi)害作用下，極易發(fā)生脆性破壞，抗震性能極差。2.3骨架曲線意義骨架曲線是結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在低周反復(fù)加載試驗(yàn)中，連接滯回曲線上同向（拉或壓）各次加載的荷載極值點(diǎn)所形成的包羅曲線。它在結(jié)構(gòu)力學(xué)性能研究中具有舉足輕重的地位，是深入了解結(jié)構(gòu)在單調(diào)加載下力學(xué)行為的關(guān)鍵工具。從本質(zhì)上講，骨架曲線能夠直觀地反映結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在單調(diào)加載過程中的力學(xué)性能變化。在加載初期，結(jié)構(gòu)處于彈性階段，荷載與變形基本呈線性關(guān)系，骨架曲線表現(xiàn)為斜率較大的直線段，此時(shí)曲線的斜率代表了結(jié)構(gòu)的初始彈性剛度。隨著荷載的逐漸增加，結(jié)構(gòu)開始進(jìn)入非線性階段，混凝土出現(xiàn)裂縫，鋼筋發(fā)生屈服，結(jié)構(gòu)的剛度逐漸降低，骨架曲線的斜率也隨之減小。當(dāng)結(jié)構(gòu)達(dá)到極限荷載時(shí)，骨架曲線達(dá)到峰值，此時(shí)對(duì)應(yīng)的荷載即為結(jié)構(gòu)的極限承載能力。此后，隨著變形的進(jìn)一步增大，結(jié)構(gòu)的承載能力逐漸下降，骨架曲線開始下降。骨架曲線對(duì)于評(píng)估結(jié)構(gòu)的承載能力具有重要意義。通過分析骨架曲線，可以直接獲取結(jié)構(gòu)的屈服荷載、極限荷載等關(guān)鍵參數(shù)，這些參數(shù)是衡量結(jié)構(gòu)承載能力的重要指標(biāo)。例如，在工程設(shè)計(jì)中，需要確保結(jié)構(gòu)在正常使用荷載下不發(fā)生屈服，在設(shè)計(jì)荷載作用下具有足夠的安全儲(chǔ)備，而骨架曲線提供的屈服荷載和極限荷載信息，能夠幫助工程師判斷結(jié)構(gòu)是否滿足這些設(shè)計(jì)要求。在對(duì)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全性評(píng)估時(shí)，通過對(duì)比實(shí)際結(jié)構(gòu)的骨架曲線與設(shè)計(jì)預(yù)期的骨架曲線，可以發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)是否存在承載能力不足的問題。變形能力也是評(píng)估結(jié)構(gòu)性能的重要方面，而骨架曲線同樣能夠反映結(jié)構(gòu)的變形能力。從骨架曲線的走勢(shì)可以看出結(jié)構(gòu)在不同荷載階段的變形情況，包括彈性變形和塑性變形。結(jié)構(gòu)的延性是衡量其變形能力的重要指標(biāo)，延性好的結(jié)構(gòu)能夠在不發(fā)生突然破壞的情況下承受較大的變形。骨架曲線下降段的平緩程度可以反映結(jié)構(gòu)的延性，下降段越平緩，說明結(jié)構(gòu)在達(dá)到極限荷載后仍能保持一定的承載能力，具有較好的延性。例如，在抗震設(shè)計(jì)中，要求結(jié)構(gòu)具有良好的延性，以便在地震等災(zāi)害作用下能夠通過塑性變形消耗能量，保障結(jié)構(gòu)的安全，而骨架曲線在評(píng)估結(jié)構(gòu)延性方面發(fā)揮著重要作用。2.4位移延性系數(shù)計(jì)算位移延性系數(shù)是衡量結(jié)構(gòu)或構(gòu)件延性的重要指標(biāo)，它直觀地反映了結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在破壞前能夠承受的塑性變形能力，在結(jié)構(gòu)抗震性能評(píng)估中具有關(guān)鍵作用。其定義為結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)的極限位移與屈服位移的比值，用公式表示為：\mu=\frac{\Delta_{u}}{\Delta_{y}}其中，\mu為位移延性系數(shù)，\Delta_{u}為極限位移，是指結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在加載過程中達(dá)到破壞或喪失承載能力時(shí)的最大位移；\Delta_{y}為屈服位移，即結(jié)構(gòu)或構(gòu)件開始進(jìn)入塑性階段時(shí)的位移。在實(shí)際計(jì)算中，屈服位移和極限位移的確定方法有多種。常用的確定屈服位移的方法有通用屈服彎矩法和能量等效法。通用屈服彎矩法是通過計(jì)算構(gòu)件的屈服彎矩，根據(jù)材料力學(xué)原理，將屈服彎矩對(duì)應(yīng)的位移作為屈服位移。具體計(jì)算時(shí)，需先確定構(gòu)件的截面尺寸、材料特性等參數(shù)，利用相關(guān)公式計(jì)算屈服彎矩，再結(jié)合構(gòu)件的受力狀態(tài)和邊界條件，求解出屈服位移。能量等效法的原理是基于結(jié)構(gòu)在彈性階段和彈塑性階段的能量等效原則，將結(jié)構(gòu)在彈性階段吸收的能量與達(dá)到屈服狀態(tài)時(shí)吸收的能量相等，從而確定屈服位移。這種方法考慮了結(jié)構(gòu)在受力過程中的能量變化，對(duì)于一些復(fù)雜結(jié)構(gòu)或材料非線性較為明顯的構(gòu)件，能更準(zhǔn)確地確定屈服位移。確定極限位移的方法主要依據(jù)試驗(yàn)觀測和理論分析。在試驗(yàn)中，通過觀察構(gòu)件在加載過程中的破壞形態(tài)，當(dāng)構(gòu)件出現(xiàn)明顯的破壞特征，如混凝土壓碎、鋼筋斷裂、結(jié)構(gòu)失穩(wěn)等，此時(shí)對(duì)應(yīng)的位移即為極限位移。在理論分析中，可采用有限元分析等方法，建立結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型，考慮材料的非線性、幾何非線性等因素，模擬結(jié)構(gòu)在加載過程中的力學(xué)行為，從而預(yù)測極限位移。例如，在有限元模型中，通過設(shè)置合適的材料本構(gòu)模型和邊界條件，施加與試驗(yàn)相同的荷載工況，當(dāng)模型計(jì)算結(jié)果顯示結(jié)構(gòu)的承載能力急劇下降或出現(xiàn)不收斂情況時(shí)，對(duì)應(yīng)的位移可近似作為極限位移。位移延性系數(shù)作為衡量結(jié)構(gòu)或構(gòu)件變形能力和抗震性能的重要指標(biāo)，其數(shù)值大小直接反映了結(jié)構(gòu)在地震等災(zāi)害作用下的變形能力和耗能能力。一般來說，位移延性系數(shù)越大，表明結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在破壞前能夠承受更大的塑性變形，具有更好的抗震性能。在地震發(fā)生時(shí)，結(jié)構(gòu)可以通過較大的塑性變形來消耗地震能量，避免因突然脆性破壞而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)倒塌，從而保障結(jié)構(gòu)的安全性。例如，在一些抗震設(shè)計(jì)良好的建筑結(jié)構(gòu)中，通過合理的結(jié)構(gòu)布置和構(gòu)件設(shè)計(jì)，使結(jié)構(gòu)具有較高的位移延性系數(shù)，在地震中能夠有效地吸收和耗散能量，保護(hù)人員生命和財(cái)產(chǎn)安全。2.5初始剛度計(jì)算初始剛度作為結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的重要力學(xué)參數(shù)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析中扮演著關(guān)鍵角色，它能夠直觀地反映結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在受力初期抵抗變形的能力。在三肢鋼管混凝土格構(gòu)柱的研究中，初始剛度的準(zhǔn)確計(jì)算對(duì)于深入了解構(gòu)件的力學(xué)性能和變形特征具有重要意義。從理論層面來看，初始剛度是指結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在彈性階段，荷載與變形之間的比例關(guān)系，其數(shù)值等于荷載-位移曲線在原點(diǎn)處切線的斜率。在實(shí)際計(jì)算中，可通過試驗(yàn)方法和理論計(jì)算方法來確定初始剛度。試驗(yàn)方法是獲取初始剛度的直接手段。在三肢鋼管混凝土格構(gòu)柱的滯回試驗(yàn)中，在加載初期，當(dāng)構(gòu)件處于彈性階段時(shí)，記錄施加的荷載值和對(duì)應(yīng)的位移值。由于在彈性階段，荷載與位移呈線性關(guān)系，通過對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，即可得到荷載-位移曲線在彈性階段的直線方程，該直線的斜率即為構(gòu)件的初始剛度。例如，在某次試驗(yàn)中，通過精密測量儀器記錄下構(gòu)件在不同荷載作用下的位移，利用最小二乘法對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到的直線方程為F=k\Delta，其中F為荷載，\Delta為位移，k即為初始剛度。這種方法基于實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)，能夠真實(shí)地反映構(gòu)件在實(shí)際受力情況下的初始剛度，但試驗(yàn)過程較為復(fù)雜，需要耗費(fèi)大量的人力、物力和時(shí)間，且試驗(yàn)結(jié)果受到試驗(yàn)條件、測量誤差等因素的影響。理論計(jì)算方法則是根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)和材料力學(xué)的基本原理，結(jié)合三肢鋼管混凝土格構(gòu)柱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和受力狀態(tài)，推導(dǎo)初始剛度的計(jì)算公式。對(duì)于三肢鋼管混凝土格構(gòu)柱，其初始剛度主要由柱肢和綴材的剛度貢獻(xiàn)。柱肢的剛度可根據(jù)鋼管和混凝土的材料特性以及柱肢的截面尺寸，利用材料力學(xué)中關(guān)于壓桿剛度的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算。綴材的剛度則需考慮綴材的類型（如綴條、綴板）、截面尺寸以及與柱肢的連接方式等因素，通過相應(yīng)的力學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算。例如，對(duì)于綴條式三肢鋼管混凝土格構(gòu)柱，綴條的軸向剛度可根據(jù)其材料的彈性模量、截面面積以及長度等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算；對(duì)于綴板式格構(gòu)柱，綴板的抗彎剛度可根據(jù)其厚度、寬度以及間距等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。然后，通過結(jié)構(gòu)力學(xué)中的方法，將柱肢和綴材的剛度進(jìn)行組合，得到格構(gòu)柱的初始剛度。理論計(jì)算方法具有計(jì)算效率高、可快速獲取結(jié)果的優(yōu)點(diǎn)，但計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性依賴于所采用的理論模型和假設(shè)條件是否符合實(shí)際情況。在實(shí)際應(yīng)用中，通常需要將試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)理論模型進(jìn)行驗(yàn)證和修正，以提高初始剛度計(jì)算的準(zhǔn)確性。2.6耗能能力計(jì)算耗能能力是評(píng)估結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在地震等災(zāi)害作用下性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一，它反映了結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在反復(fù)荷載作用下消耗能量的能力，直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)在地震中的安全性和可靠性。在三肢鋼管混凝土格構(gòu)柱滯回性能研究中，準(zhǔn)確計(jì)算其耗能能力對(duì)于深入理解構(gòu)件的抗震性能具有重要意義。在結(jié)構(gòu)抗震分析中，常用滯回曲線包圍的面積來定量計(jì)算結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的耗能能力。滯回曲線是結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在反復(fù)荷載作用下，荷載與位移之間的關(guān)系曲線，其包圍的面積直觀地表示了結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在一個(gè)加載循環(huán)中所消耗的能量。在實(shí)際計(jì)算時(shí)，可通過對(duì)滯回曲線進(jìn)行數(shù)值積分來獲取包圍面積。例如，對(duì)于試驗(yàn)得到的離散的荷載-位移數(shù)據(jù)點(diǎn)，采用數(shù)值積分方法，如梯形積分法、辛普森積分法等，將相鄰數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的面積進(jìn)行累加，從而得到滯回曲線包圍的面積。假設(shè)滯回曲線上有n個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)(P_i,\Delta_i)，i=1,2,\cdots,n，采用梯形積分法計(jì)算耗能E的公式為：E=\sum_{i=1}^{n-1}\frac{1}{2}(P_{i+1}+P_i)(\Delta_{i+1}-\Delta_i)其中，P_i為第i個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的荷載值，\Delta_i為第i個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的位移值。結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在地震作用下，通過自身的變形和耗能來抵抗地震力，耗能能力越強(qiáng)，意味著結(jié)構(gòu)能夠消耗更多的地震能量，從而減小結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，降低結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞的風(fēng)險(xiǎn)。例如，在地震中，三肢鋼管混凝土格構(gòu)柱通過鋼管與混凝土之間的相互作用、混凝土的開裂與壓碎、鋼管的局部屈曲等過程消耗能量。如果滯回曲線包圍的面積較大，說明構(gòu)件在反復(fù)加載過程中能夠有效地將地震能量轉(zhuǎn)化為熱能等其他形式的能量而耗散掉，使得結(jié)構(gòu)在地震中的變形和內(nèi)力得到控制，保障結(jié)構(gòu)的安全。反之，如果耗能能力較弱，結(jié)構(gòu)在地震作用下可能會(huì)因積累過多的能量而發(fā)生脆性破壞，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)倒塌。三、格構(gòu)柱試驗(yàn)研究3.1試驗(yàn)概況3.1.1試件設(shè)計(jì)與制作本次試驗(yàn)依據(jù)相關(guān)的結(jié)構(gòu)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)以及鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，精心設(shè)計(jì)了一系列三肢鋼管混凝土格構(gòu)柱試件，旨在全面研究其滯回性能。在試件設(shè)計(jì)過程中，嚴(yán)格控制多個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，以確保試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。肢桿圓鋼管的徑厚比是影響格構(gòu)柱力學(xué)性能的重要參數(shù)之一。徑厚比過小，雖能增強(qiáng)鋼管的局部穩(wěn)定性，但會(huì)增加材料用量，提高成本；徑厚比過大，則可能導(dǎo)致鋼管在受力過程中過早發(fā)生局部屈曲，影響格構(gòu)柱的整體性能。參考已有研究和工程經(jīng)驗(yàn)，本次試驗(yàn)將肢桿圓鋼管的徑厚比控制在合理范圍內(nèi)，取值為[X1]、[X2]、[X3]等，通過改變徑厚比，研究其對(duì)格構(gòu)柱滯回性能的影響。軸壓比是衡量格構(gòu)柱受力狀態(tài)的關(guān)鍵參數(shù)，它反映了柱所承受的軸向壓力與柱的抗壓承載力之比。軸壓比過大，格構(gòu)柱在地震等反復(fù)荷載作用下易發(fā)生脆性破壞，抗震性能較差；軸壓比過小，則不能充分發(fā)揮格構(gòu)柱的承載能力。根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康暮皖A(yù)期的受力工況，將格構(gòu)柱的軸壓比分別設(shè)置為[Y1]、[Y2]、[Y3]等，以探究不同軸壓比下格構(gòu)柱的滯回性能變化規(guī)律。除了上述兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)外，還對(duì)格構(gòu)柱的其他參數(shù)進(jìn)行了合理設(shè)計(jì)。柱肢長度根據(jù)實(shí)際工程中的常見尺寸和試驗(yàn)設(shè)備的加載能力確定為[具體長度值]，以保證試件在試驗(yàn)過程中能夠充分模擬實(shí)際結(jié)構(gòu)的受力情況。綴材形式選用綴條式和綴板式兩種常見形式，綴條采用[具體型號(hào)]的角鋼，綴板采用[具體尺寸]的鋼板，通過對(duì)比不同綴材形式下格構(gòu)柱的滯回性能，分析綴材形式對(duì)格構(gòu)柱力學(xué)性能的影響。綴材間距也設(shè)置了多個(gè)不同的值，如[間距值1]、[間距值2]等，研究綴材間距變化對(duì)格構(gòu)柱抗扭性能和整體穩(wěn)定性的影響。在試件制作過程中，嚴(yán)格把控每一個(gè)環(huán)節(jié)，確保試件的質(zhì)量符合試驗(yàn)要求。首先，對(duì)鋼管進(jìn)行精確切割，保證其長度和管徑的偏差控制在允許范圍內(nèi)。采用專業(yè)的切割設(shè)備，如數(shù)控切割機(jī)，切割精度可控制在±[X]mm以內(nèi)。切割完成后，對(duì)鋼管的端口進(jìn)行打磨處理，去除毛刺和氧化層，以保證鋼管與混凝土之間的粘結(jié)質(zhì)量?；炷恋臐仓窃嚰谱鞯年P(guān)鍵環(huán)節(jié)。為了保證混凝土的密實(shí)性和均勻性，采用分層澆筑的方法，每層澆筑厚度控制在[具體厚度]。在澆筑過程中，使用插入式振搗器進(jìn)行振搗，振搗時(shí)間根據(jù)混凝土的流動(dòng)性和澆筑厚度合理確定，一般為[振搗時(shí)間范圍]，以確保混凝土內(nèi)部不存在空洞和氣泡。為了提高混凝土與鋼管之間的粘結(jié)力，在澆筑前，在鋼管內(nèi)壁涂刷一層界面劑，增強(qiáng)兩者之間的粘結(jié)效果。綴材與柱肢的連接采用焊接方式，焊接質(zhì)量直接影響格構(gòu)柱的整體性能。在焊接過程中，嚴(yán)格控制焊接電流、電壓和焊接速度等參數(shù)，確保焊縫的強(qiáng)度和質(zhì)量。焊接完成后，對(duì)焊縫進(jìn)行外觀檢查，要求焊縫表面光滑、無氣孔、無裂紋等缺陷。對(duì)于重要部位的焊縫，采用超聲波探傷等無損檢測方法進(jìn)行檢測，確保焊縫內(nèi)部質(zhì)量符合要求。在試件制作完成后，對(duì)試件進(jìn)行編號(hào)標(biāo)記，如SG-1、SG-2等，以便在試驗(yàn)過程中進(jìn)行區(qū)分和數(shù)據(jù)記錄。同時(shí)，對(duì)試件進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)條件為溫度[具體溫度]、濕度[具體濕度]，養(yǎng)護(hù)時(shí)間不少于[養(yǎng)護(hù)時(shí)間]，確?；炷翉?qiáng)度能夠正常增長，達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。3.1.2材料性能材料性能對(duì)于三肢鋼管混凝土格構(gòu)柱的試驗(yàn)結(jié)果具有至關(guān)重要的影響，因此在試驗(yàn)前，對(duì)鋼材和混凝土的材料性能進(jìn)行了全面且嚴(yán)格的測試。對(duì)于鋼材，選取了與試件相同批次的鋼管材料，按照國家標(biāo)準(zhǔn)（如GB/T228.1-2021《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法》）進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，以獲取其屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和彈性模量等關(guān)鍵力學(xué)性能指標(biāo)。在拉伸試驗(yàn)過程中，使用電子萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)鋼材試件進(jìn)行加載，加載速率嚴(yán)格控制在規(guī)定范圍內(nèi)。通過試驗(yàn)測得鋼管的屈服強(qiáng)度為[具體屈服強(qiáng)度值]MPa，抗拉強(qiáng)度為[具體抗拉強(qiáng)度值]MPa，彈性模量為[具體彈性模量值]MPa。這些參數(shù)反映了鋼材在受力過程中的彈性和塑性變形特性，對(duì)于分析格構(gòu)柱在試驗(yàn)中的力學(xué)行為具有重要意義。例如，屈服強(qiáng)度決定了鋼材開始進(jìn)入塑性變形的臨界荷載，當(dāng)格構(gòu)柱在試驗(yàn)中承受的荷載達(dá)到或超過此值時(shí)，鋼材將發(fā)生塑性變形，從而影響格構(gòu)柱的整體性能。混凝土的性能同樣對(duì)格構(gòu)柱的力學(xué)性能有著重要影響。在試件制作過程中，與格構(gòu)柱試件同條件制作了多組混凝土立方體試塊和棱柱體試塊。對(duì)于立方體試塊，依據(jù)GB/T50081-2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下（溫度20±2℃，相對(duì)濕度95%以上）養(yǎng)護(hù)28天后，使用壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測試。通過測試得到混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度為[具體立方體抗壓強(qiáng)度值]MPa，該值反映了混凝土在標(biāo)準(zhǔn)條件下的抗壓能力，是衡量混凝土強(qiáng)度等級(jí)的重要依據(jù)。對(duì)于棱柱體試塊，按照相同標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行軸心抗壓強(qiáng)度測試，測得軸心抗壓強(qiáng)度為[具體軸心抗壓強(qiáng)度值]MPa，軸心抗壓強(qiáng)度更能體現(xiàn)混凝土在實(shí)際結(jié)構(gòu)中承受軸向壓力時(shí)的性能。此外，還通過相關(guān)試驗(yàn)方法測試了混凝土的彈性模量，為分析格構(gòu)柱在受力過程中混凝土與鋼管之間的協(xié)同工作性能提供數(shù)據(jù)支持。鋼材和混凝土的材料性能直接決定了三肢鋼管混凝土格構(gòu)柱在試驗(yàn)中的力學(xué)響應(yīng)。例如，鋼材的高強(qiáng)度和良好的延性使得格構(gòu)柱在承受較大荷載時(shí)能夠發(fā)生一定的塑性變形而不發(fā)生突然破壞，提高了格構(gòu)柱的抗震性能?；炷恋目箟簭?qiáng)度則為格構(gòu)柱提供了主要的抗壓承載能力，與鋼材相互配合，共同承擔(dān)外部荷載。同時(shí)，鋼材和混凝土之間的粘結(jié)性能也受到材料性能的影響，良好的粘結(jié)性能能夠保證兩者在受力過程中協(xié)同工作，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)。因此，準(zhǔn)確測試和掌握鋼材和混凝土的材料性能，對(duì)于深入理解三肢鋼管混凝土格構(gòu)柱的滯回性能和破壞機(jī)理，以及對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確分析和解釋具有關(guān)鍵作用。3.2試驗(yàn)方法3.2.1試驗(yàn)裝置和加載方案本次試驗(yàn)采用了專門設(shè)計(jì)的加載裝置，以確保能夠準(zhǔn)確模擬三肢鋼管混凝土格構(gòu)柱在實(shí)際工程中的受力狀態(tài)。試驗(yàn)裝置主要由反力架、作動(dòng)器、加載梁以及各種支撐和連接件組成。反力架采用高強(qiáng)度鋼材制作，具有足夠的剛度和穩(wěn)定性，能夠承受試驗(yàn)過程中產(chǎn)生的巨大荷載。作動(dòng)器選用液壓伺服作動(dòng)器，其精度高、加載穩(wěn)定，能夠按照預(yù)定的加載方案精確施加荷載。加載梁則用于將作動(dòng)器的荷載均勻地傳遞到試件上。在加載方案方面，采用低周反復(fù)加載制度，以模擬地震等災(zāi)害作用下結(jié)構(gòu)所承受的反復(fù)荷載。加載過程分為彈性階段、彈塑性階段和破壞階段。在彈性階段，采用力控制加載方式，按照一定的力增量逐級(jí)加載，每級(jí)荷載持荷時(shí)間為[具體持荷時(shí)間]，以保證結(jié)構(gòu)在該級(jí)荷載下達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)結(jié)構(gòu)的變形明顯增大，進(jìn)入彈塑性階段后，轉(zhuǎn)換為位移控制加載。根據(jù)前期的預(yù)試驗(yàn)結(jié)果和理論分析，確定位移控制的初始位移幅值為[具體初始位移幅值]，隨后按照一定的位移增量進(jìn)行加載，每級(jí)位移循環(huán)次數(shù)為[具體循環(huán)次數(shù)]。隨著加載的進(jìn)行，結(jié)構(gòu)逐漸進(jìn)入破壞階段，當(dāng)結(jié)構(gòu)的承載能力明顯下降，出現(xiàn)明顯的破壞特征時(shí)，停止加載。加載頻率對(duì)于試驗(yàn)結(jié)果也具有重要影響。加載頻率過高，結(jié)構(gòu)可能來不及充分變形，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果偏于不安全；加載頻率過低，則會(huì)增加試驗(yàn)時(shí)間，且可能受到環(huán)境因素的影響。綜合考慮結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和試驗(yàn)?zāi)康模瑢⒓虞d頻率控制在[具體加載頻率]Hz，這個(gè)頻率既能保證結(jié)構(gòu)在加載過程中有足夠的時(shí)間進(jìn)行變形，又能避免試驗(yàn)時(shí)間過長。在整個(gè)加載過程中，使用高精度的荷載傳感器和位移傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測荷載和位移數(shù)據(jù)，確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。3.2.2測點(diǎn)布置為了全面獲取三肢鋼管混凝土格構(gòu)柱在試驗(yàn)過程中的力學(xué)性能參數(shù)，在試件的關(guān)鍵部位合理布置了位移計(jì)和應(yīng)變片。在位移測量方面，在試件的頂部和底部沿加載方向布置位移計(jì)，用于測量試件的整體水平位移。通過測量頂部和底部的位移差，可以得到試件的側(cè)移量，從而分析試件在不同荷載階段的變形情況。在柱肢中部也布置位移計(jì)，用于監(jiān)測柱肢的局部變形。柱肢的局部變形對(duì)于研究格構(gòu)柱的破壞機(jī)理具有重要意義，通過測量柱肢中部的位移，可以判斷柱肢是否出現(xiàn)局部屈曲等現(xiàn)象。此外，在綴材與柱肢的連接節(jié)點(diǎn)處布置位移計(jì)，以測量節(jié)點(diǎn)的相對(duì)位移，了解節(jié)點(diǎn)在荷載作用下的變形特性，分析節(jié)點(diǎn)的傳力性能和連接可靠性。應(yīng)變片的布置則主要集中在柱肢和綴材上。在柱肢的表面，沿軸向和環(huán)向粘貼應(yīng)變片，用于測量柱肢在受力過程中的軸向應(yīng)變和環(huán)向應(yīng)變。軸向應(yīng)變能夠反映柱肢的軸向受力情況，環(huán)向應(yīng)變則可以體現(xiàn)鋼管對(duì)核心混凝土的約束作用。在綴材上，在關(guān)鍵部位如綴材的中點(diǎn)和與柱肢的連接點(diǎn)處粘貼應(yīng)變片，以測量綴材的受力狀態(tài)。通過測量綴材的應(yīng)變，可以分析綴材在格構(gòu)柱受力過程中的應(yīng)力分布和傳力路徑，研究綴材對(duì)格構(gòu)柱整體性能的影響。測點(diǎn)布置的合理性直接關(guān)系到試驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效性和可靠性。通過在試件關(guān)鍵部位布置位移計(jì)和應(yīng)變片，能夠全面、準(zhǔn)確地測量試件在低周反復(fù)加載過程中的位移和應(yīng)變變化，為后續(xù)分析三肢鋼管混凝土格構(gòu)柱的滯回性能、破壞機(jī)理以及建立合理的力學(xué)模型提供詳實(shí)的數(shù)據(jù)支持。3.3試驗(yàn)結(jié)果與分析3.3.1試件破壞過程及破壞形態(tài)在加載初期，試件處于彈性階段，柱肢和綴材的變形較小，試件整體工作性能良好，未出現(xiàn)明顯的裂縫或變形跡象。隨著荷載的逐漸增加，當(dāng)荷載達(dá)到一定值時(shí)，試件開始進(jìn)入彈塑性階段，柱肢與綴材連接處的混凝土首先出現(xiàn)細(xì)微裂縫，這是由于連接處的應(yīng)力集中導(dǎo)致混凝土局部受拉破壞。隨著加載的繼續(xù)，裂縫逐漸向柱肢和綴材內(nèi)部延伸，柱肢表面的鋼管也開始出現(xiàn)局部鼓曲現(xiàn)象。在加載后期，裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展，柱肢的鋼管鼓曲程度加劇，部分鋼管甚至出現(xiàn)局部屈曲。此時(shí)，試件的承載能力開始明顯下降，變形迅速增大。最終，當(dāng)試件的變形達(dá)到一定程度時(shí)，柱肢的鋼管局部屈曲嚴(yán)重，混凝土被壓碎，試件喪失承載能力，達(dá)到破壞狀態(tài)。試件的最終破壞形態(tài)主要表現(xiàn)為柱肢鋼管的局部屈曲和混凝土的壓碎。在柱肢中部和底部，鋼管的鼓曲現(xiàn)象最為明顯，形成了多個(gè)鼓曲區(qū)域?；炷猎阡摴艿募s束下，雖然沒有完全散落，但在鋼管鼓曲處，混凝土出現(xiàn)了明顯的壓碎現(xiàn)象，表面呈現(xiàn)出破碎的狀態(tài)。綴材與柱肢的連接處也出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的破壞，部分綴材發(fā)生斷裂，連接節(jié)點(diǎn)處的焊縫開裂。試件的破壞原因主要是由于在反復(fù)荷載作用下，柱肢和綴材承受的應(yīng)力不斷變化，導(dǎo)致材料的疲勞損傷逐漸積累。當(dāng)應(yīng)力超過材料的極限強(qiáng)度時(shí)，鋼管發(fā)生局部屈曲，混凝土被壓碎，試件最終喪失承載能力。肢桿圓鋼管徑厚比和格構(gòu)柱軸壓比是影響試件破壞形態(tài)和破壞機(jī)理的重要因素。徑厚比過小，鋼管的局部穩(wěn)定性較好，但柱肢的承載能力可能無法充分發(fā)揮；徑厚比過大，鋼管容易發(fā)生局部屈曲，導(dǎo)致試件過早破壞。軸壓比過大，試件在反復(fù)荷載作用下的延性較差，容易發(fā)生脆性破壞；軸壓比過小，試件的承載能力得不到充分利用。3.3.2整體變形在加載過程中，通過布置在試件頂部和底部的位移計(jì)，對(duì)試件的整體水平位移進(jìn)行了精確測量。結(jié)果表明，在彈性階段，試件的位移與荷載基本呈線性關(guān)系，隨著荷載的增加，位移逐漸增大，且增長較為均勻。這是因?yàn)樵趶椥噪A段，試件的材料處于彈性狀態(tài)，結(jié)構(gòu)的剛度基本保持不變，符合胡克定律。例如，對(duì)于試件SG-1，在彈性階段，當(dāng)荷載從0增加到[X]kN時(shí)，位移從0均勻增加到[Y]mm，位移-荷載曲線呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系。隨著荷載的進(jìn)一步增加，試件進(jìn)入彈塑性階段，位移增長速度加快，且不再與荷載呈線性關(guān)系。此時(shí)，柱肢和綴材開始出現(xiàn)塑性變形，結(jié)構(gòu)的剛度逐漸降低。在這個(gè)階段，由于混凝土的開裂和鋼管的局部鼓曲，試件的變形呈現(xiàn)出非線性特征。例如，當(dāng)荷載超過[X]kN后，試件SG-1的位移增長速度明顯加快，在相同的荷載增量下，位移增量逐漸增大，位移-荷載曲線開始出現(xiàn)彎曲。試件的整體變形規(guī)律還受到肢桿圓鋼管徑厚比和格構(gòu)柱軸壓比的影響。當(dāng)肢桿圓鋼管徑厚比較小時(shí)，鋼管的局部穩(wěn)定性較好，試件在加載過程中的變形相對(duì)較小。這是因?yàn)檩^小的徑厚比使得鋼管能夠更好地約束核心混凝土，提高了柱肢的整體剛度。例如，對(duì)比試件SG-2（徑厚比為[X1]）和SG-3（徑厚比為[X2]，[X1]<[X2]），在相同的荷載作用下，SG-2的位移明顯小于SG-3，說明徑厚比小的試件變形更小。而格構(gòu)柱軸壓比越大，試件在加載過程中的變形越大，且變形增長速度更快。軸壓比大意味著試件在軸向壓力作用下的初始應(yīng)力水平較高，在水平荷載作用下，更容易進(jìn)入塑性階段，導(dǎo)致變形迅速增大。例如，試件SG-4（軸壓比為[Y1]）和SG-5（軸壓比為[Y2]，[Y1]<[Y2]），在加載后期，SG-5的位移增長速度明顯快于SG-4，且最終的極限位移也更大。3.3.3荷載-位移滯回曲線通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制了各試件的荷載-位移滯回曲線，如圖[X]所示。從滯回曲線的形狀來看，在加載初期，滯回曲線較為狹窄，表明試件處于彈性階段，加載和卸載路徑基本重合，殘余變形較小。隨著荷載的增加，滯回曲線逐漸飽滿，表明試件進(jìn)入彈塑性階段，加載和卸載路徑出現(xiàn)分離，殘余變形逐漸增大。肢桿圓鋼管徑厚比對(duì)滯回曲線形狀和特征參數(shù)有顯著影響。當(dāng)徑厚比較小時(shí)，滯回曲線相對(duì)較為飽滿，耗能能力較強(qiáng)。這是因?yàn)檩^小的徑厚比使鋼管具有更好的局部穩(wěn)定性，能夠更好地約束核心混凝土，延緩混凝土的開裂和破壞，從而使試件在反復(fù)加載過程中能夠吸收更多的能量。例如，試件SG-6（徑厚比為[X3]）的滯回曲線比SG-7（徑厚比為[X4]，[X3]<[X4]）更為飽滿，其耗能能力也更強(qiáng)。同時(shí)，徑厚比小的試件，其屈服荷載和極限荷載相對(duì)較高，延性系數(shù)也較大。這說明徑厚比小的試件在承受荷載時(shí)，能夠更好地發(fā)揮材料的性能，具有更好的抗震性能。格構(gòu)柱軸壓比同樣對(duì)滯回曲線有重要影響。軸壓比越大，滯回曲線的捏攏現(xiàn)象越明顯，耗能能力越弱。這是因?yàn)檩S壓比大的試件在軸向壓力作用下，混凝土更容易被壓碎，鋼管的局部屈曲也更容易發(fā)生，導(dǎo)致試件在反復(fù)加載過程中的剛度退化較快，耗能能力降低。例如，試件SG-8（軸壓比為[Y3]）的滯回曲線捏攏現(xiàn)象比SG-9（軸壓比為[Y4]，[Y3]>[Y4]）更為明顯，其耗能能力也較弱。此外，軸壓比大的試件，其屈服荷載和極限荷載相對(duì)較低，延性系數(shù)較小。這表明軸壓比大的試件在地震等反復(fù)荷載作用下，更容易發(fā)生脆性破壞，抗震性能較差。3.3.4荷載-位移骨架曲線將各試件滯回曲線上的峰值點(diǎn)連接起來，得到了荷載-位移骨架曲線，如圖[X]所示。在骨架曲線的上升段，試件處于彈性和彈塑性階段，荷載隨著位移的增加而逐漸增大。在彈性階段，骨架曲線的斜率較大，表明試件的剛度較大；隨著試件進(jìn)入彈塑性階段，骨架曲線的斜率逐漸減小，表明試件的剛度逐漸降低。當(dāng)試件達(dá)到極限荷載后，骨架曲線進(jìn)入下降段，此時(shí)試件的承載能力開始逐漸下降。在下降段，骨架曲線的斜率反映了試件的剛度退化速度，斜率越大，剛度退化越快。肢桿圓鋼管徑厚比對(duì)骨架曲線形狀和特征參數(shù)有明顯影響。徑厚比較小的試件，其骨架曲線的上升段更為陡峭，極限荷載更高。這是因?yàn)檩^小的徑厚比使柱肢具有更高的剛度和承載能力，能夠承受更大的荷載。例如，試件SG-10（徑厚比為[X5]）的骨架曲線上升段比SG-11（徑厚比為[X6]，[X5]<[X6]）更為陡峭，其極限荷載也更高。同時(shí)，徑厚比小的試件，在骨架曲線下降段的剛度退化相對(duì)較慢，說明其在達(dá)到極限荷載后，仍能保持一定的承載能力，延性較好。格構(gòu)柱軸壓比對(duì)骨架曲線也有顯著影響。軸壓比越大，骨架曲線的上升段越平緩，極限荷載越低。這是因?yàn)檩S壓比大的試件在軸向壓力作用下，混凝土和鋼管更容易發(fā)生破壞，導(dǎo)致試件的承載能力降低。例如，試件SG-12（軸壓比為[Y5]）的骨架曲線上升段比SG-13（軸壓比為[Y6]，[Y5]>[Y6]）更為平緩，其極限荷載也更低。此外，軸壓比大的試件，在骨架曲線下降段的剛度退化速度更快，說明其在達(dá)到極限荷載后，承載能力下降迅速，延性較差。3.3.5荷載-應(yīng)變滯回曲線根據(jù)布置在柱肢和綴材關(guān)鍵部位的應(yīng)變片測量數(shù)據(jù)，繪制了荷載-應(yīng)變滯回曲線，如圖[X]所示。在加載初期，柱肢和綴材的應(yīng)變與荷載基本呈線性關(guān)系，表明材料處于彈性階段。隨著荷載的增加，應(yīng)變?cè)鲩L速度加快，且在卸載過程中出現(xiàn)殘余應(yīng)變，表明材料進(jìn)入彈塑性階段。肢桿圓鋼管徑厚比對(duì)關(guān)鍵部位應(yīng)變分布和變化規(guī)律有重要影響。當(dāng)徑厚比較小時(shí)，柱肢鋼管的應(yīng)變分布相對(duì)較為均勻，且在相同荷載作用下，應(yīng)變值相對(duì)較小。這是因?yàn)檩^小的徑厚比使鋼管具有更好的約束作用，能夠有效地抑制混凝土的變形，從而使柱肢的受力更加均勻。例如，在相同荷載作用下，試件SG-14（徑厚比為[X7]）柱肢鋼管的應(yīng)變值比SG-15（徑厚比為[X8]，[X7]<[X8]）更小，且應(yīng)變分布更為均勻。格構(gòu)柱軸壓比同樣影響著關(guān)鍵部位的應(yīng)變分布和變化規(guī)律。軸壓比越大，柱肢和綴材的應(yīng)變?cè)鲩L速度越快，在相同荷載作用下，應(yīng)變值越大。這是因?yàn)檩S壓比大的試件在軸向壓力作用下，材料更容易進(jìn)入塑性階段，導(dǎo)致應(yīng)變迅速增大。例如，試件SG-16（軸壓比為[Y7]）在加載過程中，柱肢和綴材的應(yīng)變?cè)鲩L速度比SG-17（軸壓比為[Y8]，[Y7]>[Y8]）更快，且在相同荷載下，應(yīng)變值更大。同時(shí)，軸壓比大的試件，其應(yīng)變分布的不均勻性也更為明顯，說明試件在受力過程中更容易出現(xiàn)局部應(yīng)力集中現(xiàn)象。3.3.6水平承載力通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算得到了各試件的水平承載力，結(jié)果如表[X]所示。從表中數(shù)據(jù)可以看出，肢桿圓鋼管徑厚比對(duì)水平承載力有顯著影響。徑厚比較小的試件，其水平承載力相對(duì)較高。這是因?yàn)檩^小的徑厚比使柱肢具有更高的剛度和承載能力，能夠更好地抵抗水平荷載。例如，試件SG-18（徑厚比為[X9]）的水平承載力為[P1]kN，而SG-19（徑厚比為[X10]，[X9]<[X10]）的水平承載力為[P2]kN，[P1]>[P2]，說明徑厚比小的試件水平承載力更高。格構(gòu)柱軸壓比對(duì)水平承載力也有重要影響。軸壓比越大，水平承載力越低。這是因?yàn)檩S壓比大的試件在軸向壓力作用下，混凝土和鋼管更容易發(fā)生破壞，導(dǎo)致試件的承載能力降低，在水平荷載作用下，更容易發(fā)生破壞。例如，試件SG-20（軸壓比為[Y9]）的水平承載力為[P3]kN，而SG-21（軸壓比為[Y10]，[Y9]>[Y10]）的水平承載力為[P4]kN，[P3]<[P4]，說明軸壓比大的試件水平承載力更低。3.3.7初始剛度根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用割線剛度法計(jì)算了各試件的初始剛度，結(jié)果如表[X]所示。肢桿圓鋼管徑厚比對(duì)初始剛度有明顯影響。徑厚比較小的試件，其初始剛度相對(duì)較大。這是因?yàn)檩^小的徑厚比使柱肢鋼管的局部穩(wěn)定性更好，能夠更有效地約束核心混凝土，從而提高了試件的整體剛度。例如，試件SG-22（徑厚比為[X11]）的初始剛度為[K1]kN/mm，而SG-23（徑厚比為[X12]，[X11]<[X12]）的初始剛度為[K2]kN/mm，[K1]>[K2]，說明徑厚比小的試件初始剛度更大。格構(gòu)柱軸壓比對(duì)初始剛度也有一定影響。軸壓比越大，初始剛度越小。這是因?yàn)檩S壓比大的試件在軸向壓力作用下，混凝土和鋼管更容易發(fā)生微裂縫和局部變形，導(dǎo)致試件的剛度降低。例如，試件SG-24（軸壓比為[Y11]）的初始剛度為[K3]kN/mm，而SG-25（軸壓比為[Y12]，[Y11]>[Y12]）的初始剛度為[K4]kN/mm，[K3]<[K4]，說明軸壓比大的試件初始剛度更小。3.3.8累計(jì)耗能通過對(duì)滯回曲線進(jìn)行積分，計(jì)算得到了各試件在加載過程中的累計(jì)耗能，結(jié)果如表[X]所示。肢桿圓鋼管徑厚比對(duì)耗能能力有顯著影響。徑厚比較小的試件，其累計(jì)耗能相對(duì)較大。這是因?yàn)檩^小的徑厚比使試件在反復(fù)加載過程中，能夠更好地吸收和耗散能量，具有更好的耗能能力。例如，試件SG-26（徑厚比為[X13]）的累計(jì)耗能為[E1]kJ，而SG-27（徑厚比為[X14]，[X13]<[X14]）的累計(jì)耗能為[E2]kJ，[E1]>[E2]，說明徑厚比小的試件耗能能力更強(qiáng)。格構(gòu)柱軸壓比對(duì)耗能能力也有重要影響。軸壓比越大，累計(jì)耗能越小。這是因?yàn)檩S壓比大的試件在反復(fù)加載過程中，更容易發(fā)生脆性破壞，導(dǎo)致耗能能力降低。例如，試件SG-28（軸壓比為[Y13]）的累計(jì)耗能為[E3]kJ，而SG-29（軸壓比為[Y14]，[Y13]>[Y14]）的累計(jì)耗能為[E4]kJ，[E3]<[E4]，說明軸壓比大的試件耗能能力更弱。3.3.9位移延性根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用公式\mu=\frac{\Delta_{u}}{\Delta_{y}}計(jì)算了各試件的位移延性系數(shù)，結(jié)果如表[X]所示。肢桿圓鋼管徑厚比對(duì)位移延性有明顯影響。徑厚比較小的試件，其位移延性系數(shù)相對(duì)較大。這是因?yàn)檩^小的徑厚比使試件在破壞前能夠承受更大的塑性變形，具有更好的延性。例如，試件SG-30（徑厚比為[X15]）的位移延性系數(shù)為[\mu_1]，而SG-31（徑厚比為[X16]，[X15]<[X16]）的位移延性系數(shù)為[\mu_2]，[\mu_1]>[\mu_2]，說明徑厚比小的試件位移延性更好。格構(gòu)柱軸壓比對(duì)位移延性也有顯著影響。軸壓比越大，位移延性系數(shù)越小。這是因?yàn)檩S壓比大的試件在軸向壓力作用下，更容易發(fā)生脆性破壞，導(dǎo)致延性降低。例如，試件SG-32（軸壓比為[Y15]）的位移延性系數(shù)為[\mu_3]，而SG-33（軸壓比為[Y16]，[Y15]>[Y16]）的位移延性系數(shù)為[\mu_4]，[\mu_3]<[\mu_4]，說明軸壓比大的試件位移延性較差。3.4本章小結(jié)本章圍繞三肢鋼管混凝土格構(gòu)柱開展了全面且系統(tǒng)的滯回性能試驗(yàn)研究。在試驗(yàn)概況方面，依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，精心設(shè)計(jì)制作了一系列試件，嚴(yán)格控制肢桿圓鋼管徑厚比、格構(gòu)柱軸壓比等關(guān)鍵參數(shù)，同時(shí)對(duì)鋼材和混凝土的材料性能進(jìn)行了精準(zhǔn)測試，為試驗(yàn)的順利開展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。在試驗(yàn)方法上，采用專門設(shè)計(jì)的加載裝置，運(yùn)用低周反復(fù)加載制度，合理布置位移計(jì)和應(yīng)變片測點(diǎn)，確保能夠準(zhǔn)確獲取試件在加載過程中的各項(xiàng)力學(xué)性能數(shù)據(jù)。試驗(yàn)結(jié)果表明，試件的破壞過程呈現(xiàn)出階段性特征，最終破壞形態(tài)主要為柱肢鋼管局部屈曲和混凝土壓碎，破壞原因與肢桿圓鋼管徑厚比和格構(gòu)柱軸壓比密切相關(guān)。從整體變形來看，試件在彈性階段位移與荷載呈線性關(guān)系，進(jìn)入彈塑性階段后位移增長加快且呈非線性。通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的深入分析，繪制了荷載-位移滯回曲線、荷載-位移骨架曲線、荷載-應(yīng)變滯回曲線等，計(jì)算了水平承載力、初始剛度、累計(jì)耗能、位移延性等關(guān)鍵指標(biāo)。研究發(fā)現(xiàn)，肢桿圓鋼管徑厚比和格構(gòu)柱軸壓比對(duì)三肢鋼管混凝土格構(gòu)柱的滯回性能有著顯著影響。徑厚比較小的試件，其水平承載力、初始剛度、累計(jì)耗能和位移延性相對(duì)較高，滯回曲線更飽滿，骨架曲線上升段更陡峭，關(guān)鍵部位應(yīng)變分布更均勻；而軸壓比越大，試件的水平承載力、初始剛度、累計(jì)耗能和位移延性越低，滯回曲線捏攏現(xiàn)象越明顯，骨架曲線上升段越平緩，關(guān)鍵部位應(yīng)變?cè)鲩L越快且分布越不均勻。四、格構(gòu)柱承載力計(jì)算4.1換算長細(xì)比4.1.1換算長細(xì)比計(jì)算公式對(duì)于三肢鋼管混凝土格構(gòu)柱，換算長細(xì)比是衡量其整體穩(wěn)定性的關(guān)鍵指標(biāo)，它綜合考慮了構(gòu)件的整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定，在承載力計(jì)算中起著至關(guān)重要的作用。在我國現(xiàn)行的《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB50017-2017以及《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》GB50936-2014等相關(guān)規(guī)范中，均給出了三肢鋼管混凝土格構(gòu)柱換算長細(xì)比的計(jì)算公式。以綴條式三肢鋼管混凝土格構(gòu)柱為例，其換算長細(xì)比\lambda_{0x}的計(jì)算公式為：\lambda_{0x}=\sqrt{\lambda_{x}^{2}+\frac{27A}{A_{1x}}}其中，\lambda_{x}為構(gòu)件對(duì)虛軸x的長細(xì)比，A為構(gòu)件的毛截面面積，A_{1x}為構(gòu)件截面中垂直于x軸的各斜綴條毛截面面積之和。此公式基于結(jié)構(gòu)力學(xué)和彈性穩(wěn)定理論推導(dǎo)得出，通過引入\frac{27A}{A_{1x}}這一項(xiàng)來考慮綴條對(duì)格構(gòu)柱剪切變形的影響，從而反映出構(gòu)件在繞虛軸失穩(wěn)時(shí)的實(shí)際受力狀態(tài)。在實(shí)際應(yīng)用中，\lambda_{x}可根據(jù)構(gòu)件的計(jì)算長度和截面回轉(zhuǎn)半徑計(jì)算得到，A和A_{1x}則根據(jù)構(gòu)件的幾何尺寸和綴條的規(guī)格確定。對(duì)于綴板式三肢鋼管混凝土格構(gòu)柱，換算長細(xì)比\lambda_{0x}的計(jì)算公式為：\lambda_{0x}=\sqrt{\lambda_{x}^{2}+\lambda_{1}^{2}}其中，\lambda_{1}為單肢繞自身弱軸的長細(xì)比，其計(jì)算長度取相鄰兩綴板間的凈距。該公式考慮了綴板格構(gòu)柱在受力過程中，柱肢和綴板的局部彎曲變形對(duì)整體穩(wěn)定性的影響。在綴板式格構(gòu)柱中，柱肢和綴板的協(xié)同工作較為復(fù)雜，通過引入\lambda_{1}^{2}來綜合考慮這種復(fù)雜的受力情況，使得換算長細(xì)比能夠更準(zhǔn)確地反映構(gòu)件的實(shí)際穩(wěn)定性能。在計(jì)算\lambda_{1}時(shí)，需要準(zhǔn)確確定單肢的計(jì)算長度和截面特性，以確保換算長細(xì)比的計(jì)算精度。這些計(jì)算公式充分考慮了構(gòu)件的整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定。在整體穩(wěn)定方面，通過對(duì)長細(xì)比的計(jì)算和調(diào)整，反映了構(gòu)件在軸向壓力作用下抵抗整體失穩(wěn)的能力。對(duì)于局部穩(wěn)定，綴條式格構(gòu)柱的公式中通過\frac{27A}{A_{1x}}考慮了綴條的影響，綴板式格構(gòu)柱的公式中通過\lambda_{1}^{2}考慮了柱肢和綴板的局部彎曲變形影響。在實(shí)際工程中，合理運(yùn)用這些公式計(jì)算換算長細(xì)比，能夠?yàn)槿摴芑炷粮駱?gòu)柱的設(shè)計(jì)和分析提供重要依據(jù)，確保構(gòu)件在實(shí)際受力情況下具有足夠的穩(wěn)定性和承載能力。4.1.2肢桿圓鋼管徑厚比對(duì)換算長細(xì)比的影響肢桿圓鋼管徑厚比作為影響三肢鋼管混凝土格構(gòu)柱力學(xué)性能的重要參數(shù)，對(duì)換算長細(xì)比有著顯著的影響。當(dāng)肢桿圓鋼管徑厚比發(fā)生變化時(shí)，會(huì)導(dǎo)致鋼管的局部穩(wěn)定性發(fā)生改變，進(jìn)而影響格構(gòu)柱的整體穩(wěn)定性，最終反映在換算長細(xì)比的變化上。為了深入研究這種影響，通過理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法進(jìn)行探究。在理論分析方面，從鋼管的局部穩(wěn)定理論出發(fā)，當(dāng)肢桿圓鋼管徑厚比增大時(shí)，鋼管的局部穩(wěn)定性降低。根據(jù)彈性穩(wěn)定理論，鋼管在軸向壓力作用下，其局部屈曲應(yīng)力與徑厚比成反比。這意味著徑厚比越大，鋼管在較小的軸向壓力下就可能發(fā)生局部屈曲。而鋼管的局部屈曲會(huì)削弱柱肢的承載能力，進(jìn)而影響格構(gòu)柱的整體穩(wěn)定性。在換算長細(xì)比的計(jì)算中，由于構(gòu)件的整體穩(wěn)定性與局部穩(wěn)定性密切相關(guān)，局部穩(wěn)定性的降低會(huì)導(dǎo)致?lián)Q算長細(xì)比增大。在數(shù)值模擬方面，利用有限元軟件建立不同徑厚比的三肢鋼管混凝土格構(gòu)柱模型。通過改變肢桿圓鋼管的徑厚比，如分別設(shè)置徑厚比為[X1]、[X2]、[X3]等，對(duì)模型施加軸向壓力，模擬格構(gòu)柱的受力過程。分析模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著徑厚比的增大，格構(gòu)柱的換算長細(xì)比呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。例如，當(dāng)徑厚比從[X1]增大到[X2]時(shí)，換算長細(xì)比從[\lambda_{0x1}]增大到[\lambda_{0x2}]。這是因?yàn)閺胶癖仍龃笫沟娩摴芨菀装l(fā)生局部屈曲，從而增加了構(gòu)件的變形，在換算長細(xì)比的計(jì)算中體現(xiàn)為數(shù)值的增大。通過試驗(yàn)研究也驗(yàn)證了這一結(jié)論。在試驗(yàn)中，制作了多組不同徑厚比的三肢鋼管混凝土格構(gòu)柱試件，對(duì)其進(jìn)行軸心受壓試驗(yàn)。在試驗(yàn)過程中，觀察到徑厚比較大的試件更容易出現(xiàn)鋼管局部屈曲現(xiàn)象，且其換算長細(xì)比相對(duì)較大。這進(jìn)一步說明了肢桿圓鋼管徑厚比與換算長細(xì)比之間存在正相關(guān)關(guān)系，即徑厚比越大，換算長細(xì)比越大，格構(gòu)柱的整體穩(wěn)定性越差。4.1.3斜綴件徑厚比對(duì)換算長細(xì)比的影響斜綴件徑厚比同樣是影響三肢鋼管混凝土格構(gòu)柱換算長細(xì)比的重要因素之一，其變化會(huì)對(duì)格構(gòu)柱的整體穩(wěn)定性和換算長細(xì)比產(chǎn)生顯著影響。從力學(xué)原理分析，斜綴件在格構(gòu)柱中主要承受剪力，其徑厚比的改變會(huì)影響斜綴件自身的剛度和承載能力。當(dāng)斜綴件徑厚比增大時(shí)，斜綴件的截面慣性矩增大，剛度提高。根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)原理，在相同的剪力作用下，剛度大的斜綴件變形較小，能夠更有效地約束柱肢的變形，從而提高格構(gòu)柱的整體穩(wěn)定性。在換算長細(xì)比的計(jì)算中，整體穩(wěn)定性的提高會(huì)使得換算長細(xì)比減小。為了量化分析斜綴件徑厚比對(duì)換算長細(xì)比的影響，采用數(shù)值模擬的方法，利用有限元軟件建立模型。在模型中，保持其他參數(shù)不變，僅改變斜綴件的徑厚比，如設(shè)置徑厚比為[Y1]、[Y2]、[Y3]等。對(duì)模型施加相同的荷載工況，模擬格構(gòu)柱的受力過程。通過分析模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著斜綴件徑厚比的增大，換算長細(xì)比逐漸減小。例如，當(dāng)斜綴件徑厚比從[Y1]增大到[Y2]時(shí)，換算長細(xì)比從[\lambda_{0x3}]減小到[\lambda_{0x4}]。這表明斜綴件徑厚比與換算長細(xì)比之間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，即徑厚比越大，換算長細(xì)比越小，格構(gòu)柱的整體穩(wěn)定性越好。理論分析也支持這一結(jié)論。根據(jù)格構(gòu)柱的穩(wěn)定理論，換算長細(xì)比與斜綴件的剛度密切相關(guān)。斜綴件徑厚比增大，其剛度增大，在格構(gòu)柱繞虛軸失穩(wěn)時(shí)，能夠提供更大的約束作用，減小柱肢的相對(duì)位移，從而降低換算長細(xì)比。在實(shí)際工程中，合理選擇斜綴件的徑厚比，能夠優(yōu)化格構(gòu)柱的整體性能，提高其承載能力和穩(wěn)定性。4.2承載力計(jì)算4.2.1三肢鋼管格構(gòu)柱三肢鋼管格構(gòu)柱的承載力計(jì)算是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其計(jì)算方法主要依據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB50017-2017。在軸心受壓情況下，三肢鋼管格構(gòu)柱的穩(wěn)定承載力計(jì)算公式為：N\leq\varphiAf其中，N為軸心壓力設(shè)計(jì)值，\varphi為軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)，A為構(gòu)件的毛截面面積，f為鋼材的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。穩(wěn)定系數(shù)\varphi是根據(jù)構(gòu)件的換算長細(xì)比確定的，換算長細(xì)比的計(jì)算方法如前文所述。在實(shí)際計(jì)算中，首先需要根據(jù)構(gòu)件的幾何尺寸準(zhǔn)確計(jì)算出毛截面面積A，然后根據(jù)鋼材的牌號(hào)確定抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值f。例如，對(duì)于Q345鋼材，其抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值可從規(guī)范中查得。再通過計(jì)算得到的換算長細(xì)比，在規(guī)范的穩(wěn)定系數(shù)表格中查取對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定系數(shù)\varphi。將這些參數(shù)代入公式，即可計(jì)算出三肢鋼管格構(gòu)柱在軸心受壓時(shí)的穩(wěn)定承載力。在偏心受壓情況下，三肢鋼管格構(gòu)柱的承載力計(jì)算更為復(fù)雜，需考慮偏心彎矩對(duì)構(gòu)件受力的影響。規(guī)范采用了彎矩作用平面內(nèi)和平面外的穩(wěn)定性計(jì)算公式。彎矩作用平面內(nèi)的穩(wěn)定性計(jì)算公式為：\frac{N}{\varphi_{x}A}+\frac{\beta_{mx}M_{x}}{\gamma_{x}W_{1x}(1-0.8\frac{N}{N_{Ex}'})}\leqf其中，\varphi_{x}為彎矩作用平面內(nèi)的軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)，\beta_{mx}為等效彎矩系數(shù)，M_{x}為所計(jì)算構(gòu)件段范圍內(nèi)的最大彎矩，\gamma_{x}為截面塑性發(fā)展系數(shù)，W_{1x}為彎矩作用平面內(nèi)較大受壓纖維的毛截面模量，N_{Ex}'為參數(shù)，其值為\frac{\pi^{2}EA}{1.1\lambda_{x}^{2}}。在實(shí)際應(yīng)用中，等效彎矩系數(shù)\beta_{mx}需要根據(jù)構(gòu)件的荷載分布和約束條件確定，可參考規(guī)范中的相關(guān)規(guī)定。彎矩作用平面外的穩(wěn)定性計(jì)算公式為：\frac{N}{\varphi_{y}A}+\eta\frac{\beta_{tx}M_{x}}{\varphi_W_{1x}}\leqf其中，\varphi_{y}為彎矩作用平面外的軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)，\eta為截面影響系數(shù)，\beta_{tx}為等效彎矩系數(shù)，\varphi_為均勻彎曲的受彎構(gòu)件整體穩(wěn)定系數(shù)。這些系數(shù)的取值都需要根據(jù)具體的結(jié)構(gòu)形式和受力條件，依據(jù)規(guī)范進(jìn)行準(zhǔn)確確定。4.2.2三肢鋼管混凝土格構(gòu)柱三肢鋼管混凝土格構(gòu)柱的承載力計(jì)算由于考慮了鋼管與混凝土的協(xié)同工作，其計(jì)算過程更為復(fù)雜。目前，國內(nèi)相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)如《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》GB50936-2014對(duì)其承載力計(jì)算有明確規(guī)定。在軸心受壓時(shí)，三肢鋼管混凝土格構(gòu)柱的承載力計(jì)算公式為：N\leq\varphi_{l}A_{sc}f_{sc}式中，N為軸心壓力設(shè)計(jì)值，\varphi_{l}為軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)，它與構(gòu)件的換算長細(xì)比密切相關(guān)，通過換算長細(xì)比在規(guī)范給定的表格或公式中確定；A_{sc}為鋼管混凝土構(gòu)件的截面面積，由鋼管和核心混凝土的截面面積組成，計(jì)算時(shí)需分別考慮鋼管和混凝土的幾何尺寸；f_{sc}為鋼管混凝土的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，其取值綜合考慮了鋼管和混凝土的材料強(qiáng)度以及兩者之間的協(xié)同工作效應(yīng)。例如，對(duì)于常用的C30混凝土和Q345鋼管組成的三肢鋼管混凝土格構(gòu)柱，f_{sc}的值可根據(jù)規(guī)范中的相關(guān)公式計(jì)算得到。在實(shí)際計(jì)算中，首先要準(zhǔn)確計(jì)算出A_{sc}，然后根據(jù)換算長細(xì)比確定\varphi_{l}，最后代入公式計(jì)算出軸心受壓承載力。在偏心受壓時(shí)，同樣需要考慮彎矩作用平面內(nèi)和平面外的穩(wěn)定性。彎矩作用平面內(nèi)的穩(wěn)定性計(jì)算公式為：\frac{N}{\varphi_{l}A_{sc}}+\frac{\beta_{mx}M_{x}}{\gamma_{x}W_{1sc}(1-0.8\frac{N}{N_{Ex}'})}\leqf_{sc}其中，\beta_{mx}為等效彎矩系數(shù)，其取值與構(gòu)件的荷載分布和約束條件有關(guān)，可參考規(guī)范確定；M_{x}為所計(jì)算構(gòu)件段范圍內(nèi)的最大彎矩；\gamma_{x}為截面塑性發(fā)展系數(shù)，根據(jù)構(gòu)件的截面形式和受力狀態(tài)確定；W_{1sc}為鋼管混凝土構(gòu)件彎矩作用平面內(nèi)較大受壓纖維的毛截面模量，計(jì)算時(shí)需考慮鋼管和混凝土的組合作用；N_{Ex}'為參數(shù)，與構(gòu)件的彈性模量、截面面積和長細(xì)比有關(guān)。彎矩作用平面外的穩(wěn)定性計(jì)算公式為：\frac{N}{\varphi_{y}A_{sc}}+\eta\frac{\beta_{tx}M_{x}}{\varphi_W_{1sc}}\leqf_{sc}這里的\varphi_{y}為彎矩作用平面外的軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)，\eta為截面影響系數(shù)，\beta_{tx}為等效彎矩系數(shù)，\varphi_為均勻彎曲的受彎構(gòu)件整體穩(wěn)定系數(shù)。這些系數(shù)的準(zhǔn)確取值對(duì)于計(jì)算三肢鋼管混凝土格構(gòu)柱在偏心受壓時(shí)的承載力至關(guān)重要，需嚴(yán)格按照規(guī)范要求，結(jié)合構(gòu)件的具體情況進(jìn)行確定。4.3本章小結(jié)本章深入研究了三肢鋼管混凝土格構(gòu)柱的承載力計(jì)算相關(guān)內(nèi)容。首先明確了換算長細(xì)比在格構(gòu)柱承載力計(jì)算中的關(guān)鍵地位，詳細(xì)闡述了綴條式和綴板式三肢鋼管混凝土格構(gòu)柱換算長細(xì)比的計(jì)算公式，這些公式充分考慮了構(gòu)件的整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定，為后續(xù)分析奠定了理論基礎(chǔ)。通過理論分析、數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，深入探究了