圓鋼管約束型鋼超高強(qiáng)混凝土短柱軸壓受力性能的多維度探究與解析一、引言1.1研究背景與意義隨著現(xiàn)代建筑朝著高層化、大跨度方向發(fā)展，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的承載能力、穩(wěn)定性和耐久性提出了更高要求。在眾多建筑結(jié)構(gòu)形式中，鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)以其獨(dú)特的優(yōu)勢脫穎而出，成為研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)。圓鋼管約束型鋼超高強(qiáng)混凝土短柱作為一種新型的鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)構(gòu)件，將圓鋼管、型鋼和超高強(qiáng)混凝土的優(yōu)點(diǎn)有機(jī)結(jié)合，具有卓越的力學(xué)性能和廣泛的應(yīng)用前景。超高強(qiáng)混凝土具有強(qiáng)度高、耐久性好等優(yōu)點(diǎn)，但其脆性較大，延性較差，限制了其在實(shí)際工程中的應(yīng)用。而圓鋼管和型鋼的加入，能夠?qū)Τ邚?qiáng)混凝土起到有效的約束作用，改善其脆性性能，提高構(gòu)件的延性和抗震性能。同時(shí)，圓鋼管的存在還可以增加構(gòu)件的抗火性能和抗腐蝕性能，型鋼則能進(jìn)一步提高構(gòu)件的承載能力和剛度。這種組合結(jié)構(gòu)形式在滿足建筑結(jié)構(gòu)對(duì)高強(qiáng)度和大跨度需求的同時(shí)，還能有效減小構(gòu)件的截面尺寸，減輕結(jié)構(gòu)自重，提高空間利用率，降低工程造價(jià)。在高層建筑、大跨度橋梁、大型工業(yè)廠房等工程領(lǐng)域，圓鋼管約束型鋼超高強(qiáng)混凝土短柱具有廣闊的應(yīng)用空間。例如，在高層建筑中，該構(gòu)件可作為主要的豎向承重構(gòu)件，承受巨大的豎向荷載，同時(shí)還能在地震等自然災(zāi)害作用下，保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性；在大跨度橋梁中，可用于橋墩和橋塔等部位，提高橋梁的承載能力和跨越能力；在大型工業(yè)廠房中，能夠滿足對(duì)大空間和重載的要求。然而，目前對(duì)于圓鋼管約束型鋼超高強(qiáng)混凝土短柱的研究還相對(duì)較少，尤其是在軸壓受力性能方面，存在諸多尚未明確的問題。例如，鋼管與型鋼、混凝土之間的協(xié)同工作機(jī)理，軸壓作用下構(gòu)件的破壞模式和受力性能，以及軸壓承載力的計(jì)算方法等。深入研究這些問題，不僅能夠豐富和完善鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的理論體系，還能為工程設(shè)計(jì)和施工提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持，具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在鋼管約束混凝土結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，國內(nèi)外學(xué)者已開展了大量研究。國外早期研究主要聚焦于鋼管混凝土短柱的基本力學(xué)性能，如Mander等學(xué)者通過試驗(yàn)，深入分析了圓形鋼管混凝土在軸壓作用下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，提出了相應(yīng)的約束混凝土本構(gòu)模型，為后續(xù)研究奠定了理論基礎(chǔ)。隨著研究的深入，針對(duì)高強(qiáng)、超高強(qiáng)混凝土在鋼管約束下的性能研究逐漸展開。在日本，部分學(xué)者開展了對(duì)鋼管約束高強(qiáng)混凝土短柱的試驗(yàn)研究，分析了鋼管與混凝土之間的協(xié)同工作機(jī)制以及不同參數(shù)對(duì)構(gòu)件性能的影響。國內(nèi)對(duì)鋼管約束混凝土結(jié)構(gòu)的研究起步相對(duì)較晚，但發(fā)展迅速。在鋼管約束高強(qiáng)混凝土方面，許多學(xué)者進(jìn)行了軸壓試驗(yàn)研究。例如，韋建剛等對(duì)圓鋼管約束超高性能混凝土短柱進(jìn)行軸壓試驗(yàn)，研究表明短柱破壞模式與套箍系數(shù)相關(guān)，隨著套箍系數(shù)增大，破壞模式從剪切破壞逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檠钠茐?，且套箍系?shù)對(duì)構(gòu)件的塑性變形能力影響顯著。王昕培以鋼管強(qiáng)度、徑厚比、混凝土強(qiáng)度等為參數(shù)變量，對(duì)圓鋼管約束型鋼高強(qiáng)及超高強(qiáng)混凝土短柱進(jìn)行軸壓試驗(yàn)，分析了各參數(shù)對(duì)軸壓短柱承載力和延性的影響，并提出了相應(yīng)的承載力計(jì)算公式。然而，現(xiàn)有研究仍存在一些不足。一方面，對(duì)于圓鋼管約束型鋼超高強(qiáng)混凝土短柱，由于其組合形式更為復(fù)雜，相關(guān)研究相對(duì)較少，尤其是在軸壓受力性能方面，鋼管、型鋼與超高強(qiáng)混凝土之間的協(xié)同工作機(jī)理尚未完全明確。在實(shí)際工程應(yīng)用中，這種復(fù)雜組合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需要更為精準(zhǔn)的理論指導(dǎo)，而目前的研究成果難以滿足這一需求。另一方面，雖然已提出一些承載力計(jì)算方法，但大多是基于特定試驗(yàn)條件得出的，通用性和準(zhǔn)確性有待進(jìn)一步驗(yàn)證。不同學(xué)者的試驗(yàn)條件和研究方法存在差異，導(dǎo)致計(jì)算方法的適用范圍受限，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，難以準(zhǔn)確選擇合適的計(jì)算公式來確定構(gòu)件的承載能力。此外，對(duì)于該短柱在長期荷載作用下的性能以及耐久性等方面的研究也相對(duì)匱乏，這對(duì)于結(jié)構(gòu)的長期安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要，卻尚未得到足夠的關(guān)注和深入研究。本文將在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上，通過試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，深入探討圓鋼管約束型鋼超高強(qiáng)混凝土短柱在軸壓作用下的受力性能，包括破壞模式、受力機(jī)理、承載力計(jì)算等方面，旨在完善該領(lǐng)域的理論體系，為實(shí)際工程應(yīng)用提供更可靠的依據(jù)。通過全面考慮各種影響因素，優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)值模擬方案，期望能夠更準(zhǔn)確地揭示鋼管、型鋼與超高強(qiáng)混凝土之間的協(xié)同工作機(jī)制，提出更具通用性和準(zhǔn)確性的承載力計(jì)算方法，并對(duì)長期性能和耐久性進(jìn)行初步探索，填補(bǔ)相關(guān)研究空白，推動(dòng)該結(jié)構(gòu)形式在工程中的廣泛應(yīng)用。二、試驗(yàn)研究2.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)2.1.1試件設(shè)計(jì)與制作本次試驗(yàn)共設(shè)計(jì)制作了[X]根圓鋼管約束型鋼超高強(qiáng)混凝土短柱試件，旨在全面研究軸壓受力性能。試件的主要設(shè)計(jì)參數(shù)包括鋼管的外徑、壁厚，型鋼的類型、尺寸，以及超高強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度等級(jí)等。試件的鋼管選用[具體材質(zhì)]無縫鋼管，外徑統(tǒng)一設(shè)定為[D]mm，通過調(diào)整壁厚來改變鋼管的約束效果，壁厚分別取[壁厚1]mm、[壁厚2]mm、[壁厚3]mm等。例如，壁厚為[壁厚1]mm的試件用于研究相對(duì)較弱約束條件下的構(gòu)件性能，而壁厚為[壁厚3]mm的試件則對(duì)應(yīng)較強(qiáng)約束情況。內(nèi)置型鋼采用[型鋼具體型號(hào)]，其截面尺寸根據(jù)設(shè)計(jì)配鋼率進(jìn)行確定。配鋼率分別設(shè)置為[配鋼率1]%、[配鋼率2]%、[配鋼率3]%等多個(gè)水平。以[配鋼率1]%配鋼率的試件為例，型鋼的尺寸和布置方式經(jīng)過精確計(jì)算，確保在軸壓作用下，型鋼能夠與鋼管、超高強(qiáng)混凝土協(xié)同工作，共同承擔(dān)荷載。超高強(qiáng)混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C[具體強(qiáng)度等級(jí)]，通過優(yōu)化配合比來實(shí)現(xiàn)。配合比中采用優(yōu)質(zhì)水泥、高效減水劑、優(yōu)質(zhì)骨料等材料，經(jīng)過多次試配和調(diào)整，確保混凝土的工作性能和強(qiáng)度滿足要求。在試配過程中，嚴(yán)格控制水膠比、砂率等參數(shù)，以保證混凝土的均勻性和穩(wěn)定性。試件的長度統(tǒng)一設(shè)計(jì)為[L]mm，長徑比約為[長徑比數(shù)值]，符合短柱的定義。在制作過程中，首先對(duì)鋼管內(nèi)壁進(jìn)行清潔和除銹處理，以增強(qiáng)鋼管與混凝土之間的粘結(jié)力。然后，將加工好的型鋼按照設(shè)計(jì)位置準(zhǔn)確放置在鋼管內(nèi)部，通過定位筋等措施確保型鋼在澆筑過程中位置固定。混凝土澆筑采用分層澆筑、振搗密實(shí)的方法，每層澆筑厚度控制在[澆筑厚度數(shù)值]mm左右，使用插入式振搗器進(jìn)行振搗，確?；炷恋拿軐?shí)度。在澆筑完成后，對(duì)試件表面進(jìn)行抹平處理，并覆蓋塑料薄膜進(jìn)行保濕養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間不少于[養(yǎng)護(hù)時(shí)間數(shù)值]天，以保證混凝土強(qiáng)度的正常增長。2.1.2試驗(yàn)加載方案試驗(yàn)加載采用[加載設(shè)備具體型號(hào)]液壓伺服萬能試驗(yàn)機(jī)，該設(shè)備具有高精度的加載控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，能夠準(zhǔn)確施加軸向荷載并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。加載制度采用分級(jí)加載方式，在彈性階段，每級(jí)荷載增量取預(yù)估極限荷載的[彈性階段荷載增量比例數(shù)值]%，持荷時(shí)間為[彈性階段持荷時(shí)間數(shù)值]min，以確保試件在每級(jí)荷載下達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。例如，預(yù)估極限荷載為[預(yù)估極限荷載數(shù)值]kN，在彈性階段，每級(jí)荷載增量為[具體彈性階段荷載增量數(shù)值]kN。當(dāng)荷載接近預(yù)估極限荷載的[接近極限荷載比例數(shù)值]%時(shí)，減小每級(jí)荷載增量至預(yù)估極限荷載的[彈塑性階段荷載增量比例數(shù)值]%，持荷時(shí)間延長至[彈塑性階段持荷時(shí)間數(shù)值]min，密切觀察試件的變形和破壞情況。在這個(gè)階段，試件進(jìn)入彈塑性狀態(tài)，變形發(fā)展較快，需要更細(xì)致地監(jiān)測。當(dāng)試件出現(xiàn)明顯的破壞特征，如鋼管局部鼓曲、混凝土壓碎等，停止加載。加載速率在整個(gè)過程中控制在[加載速率數(shù)值]kN/s左右，以保證加載過程的平穩(wěn)性。在加載初期，加載速率可以稍快，但當(dāng)接近極限荷載時(shí)，適當(dāng)降低加載速率，以便更準(zhǔn)確地捕捉試件的破壞過程。2.1.3量測內(nèi)容與方法試驗(yàn)中主要測量的物理量包括荷載、位移和應(yīng)變。荷載通過試驗(yàn)機(jī)的力傳感器直接測量，力傳感器精度為[力傳感器精度數(shù)值]kN，能夠準(zhǔn)確記錄施加在試件上的荷載大小。位移測量采用高精度位移計(jì)，在試件的頂部和底部對(duì)稱布置，測量試件的軸向位移和橫向位移。軸向位移用于獲取試件的荷載-位移曲線，反映試件的變形性能；橫向位移則用于觀察試件在軸壓過程中的橫向變形情況。位移計(jì)的精度為[位移計(jì)精度數(shù)值]mm，能夠滿足試驗(yàn)測量要求。應(yīng)變測量采用電阻應(yīng)變片，在鋼管外表面和型鋼表面沿軸向和環(huán)向粘貼。鋼管表面的應(yīng)變片布置在試件的中部和兩端，以監(jiān)測鋼管在不同部位的應(yīng)變分布情況；型鋼表面的應(yīng)變片則布置在關(guān)鍵受力部位，如翼緣和腹板。通過應(yīng)變片測量得到的應(yīng)變數(shù)據(jù)，可用于分析鋼管和型鋼在軸壓作用下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，以及它們與混凝土之間的協(xié)同工作情況。電阻應(yīng)變片的精度為[應(yīng)變片精度數(shù)值]με，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)采集和記錄應(yīng)變數(shù)據(jù)。2.2試驗(yàn)結(jié)果與分析2.2.1破壞模式在軸壓加載過程中，各試件呈現(xiàn)出不同的破壞過程和最終破壞形態(tài)。加載初期，試件處于彈性階段，鋼管、型鋼與超高強(qiáng)混凝土協(xié)同工作，共同承擔(dān)軸向荷載，試件表面無明顯變形和裂縫。隨著荷載逐漸增加，當(dāng)接近試件極限荷載的[具體比例數(shù)值]%時(shí)，部分試件的鋼管表面開始出現(xiàn)輕微的局部鼓曲，這是由于鋼管受到內(nèi)部混凝土的橫向膨脹作用，局部應(yīng)力超過其屈服強(qiáng)度。同時(shí)，在鋼管與混凝土的交界處，可能會(huì)出現(xiàn)微小的縱向裂縫，這是由于兩者的變形不協(xié)調(diào)導(dǎo)致的粘結(jié)力局部破壞。繼續(xù)加載，當(dāng)荷載達(dá)到極限荷載時(shí)，試件的破壞特征逐漸明顯。對(duì)于鋼管壁厚較薄、配鋼率較低的試件，鋼管局部鼓曲加劇，鼓曲部位的鋼管出現(xiàn)明顯的塑性變形，甚至出現(xiàn)撕裂現(xiàn)象。此時(shí)，核心超高強(qiáng)混凝土也發(fā)生嚴(yán)重破壞，內(nèi)部混凝土壓碎、剝落，形成較大的裂縫和碎塊，呈現(xiàn)出明顯的脆性破壞特征。這是因?yàn)樵谶@種情況下，鋼管和型鋼對(duì)混凝土的約束作用相對(duì)較弱，混凝土在高壓力下迅速失去承載能力。而對(duì)于鋼管壁厚較厚、配鋼率較高的試件，破壞模式則有所不同。鋼管雖然也會(huì)出現(xiàn)鼓曲，但鼓曲程度相對(duì)較輕，且分布較為均勻。核心混凝土在鋼管和型鋼的有效約束下，仍能保持一定的整體性，破壞過程相對(duì)較為緩慢，表現(xiàn)出一定的延性。這是由于較強(qiáng)的約束作用能夠抑制混凝土的橫向變形，延緩混凝土的破壞進(jìn)程。分析破壞模式與各參數(shù)之間的關(guān)系可知，鋼管壁厚和配鋼率對(duì)試件的破壞模式影響顯著。鋼管壁厚越大，對(duì)混凝土的約束能力越強(qiáng)，試件的延性越好，破壞時(shí)鋼管的鼓曲程度越輕；配鋼率越高，型鋼在構(gòu)件中承擔(dān)的荷載比例越大，能夠有效分散混凝土的應(yīng)力，增強(qiáng)構(gòu)件的整體性能，使破壞模式更趨于延性破壞。此外，超高強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度等級(jí)也會(huì)對(duì)破壞模式產(chǎn)生一定影響。強(qiáng)度等級(jí)較高的混凝土，在軸壓作用下內(nèi)部應(yīng)力分布更為復(fù)雜，更容易出現(xiàn)脆性破壞，但鋼管和型鋼的約束作用可以在一定程度上改善這種情況。2.2.2荷載-位移曲線根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制的荷載-位移曲線（圖1），清晰地反映了試件在軸壓過程中的力學(xué)性能變化。從曲線形態(tài)來看，可分為彈性階段、彈塑性階段和破壞階段。在彈性階段，荷載與位移呈線性關(guān)系，曲線斜率較大且基本保持不變，表明試件的剛度較大，變形主要為彈性變形。此時(shí)，鋼管、型鋼和超高強(qiáng)混凝土均處于彈性工作狀態(tài)，共同承擔(dān)荷載，三者之間的協(xié)同工作良好。例如，試件[具體試件編號(hào)1]在彈性階段，荷載從0增加到[彈性階段極限荷載數(shù)值1]kN時(shí)，位移從0增加到[彈性階段對(duì)應(yīng)位移數(shù)值1]mm，曲線斜率約為[彈性階段曲線斜率數(shù)值1]kN/mm。隨著荷載進(jìn)一步增加，曲線逐漸偏離線性，進(jìn)入彈塑性階段。在這個(gè)階段，曲線斜率逐漸減小，表明試件的剛度開始下降，變形速度加快。這是因?yàn)椴糠植牧祥_始進(jìn)入塑性狀態(tài)，鋼管和混凝土之間出現(xiàn)相對(duì)滑移，粘結(jié)力逐漸降低。同時(shí)，混凝土內(nèi)部開始出現(xiàn)微裂縫，損傷逐漸積累。例如，試件[具體試件編號(hào)2]在彈塑性階段，當(dāng)荷載從[彈塑性階段起始荷載數(shù)值2]kN增加到[彈塑性階段極限荷載數(shù)值2]kN時(shí)，位移從[彈塑性階段起始位移數(shù)值2]mm增加到[彈塑性階段對(duì)應(yīng)位移數(shù)值2]mm，曲線斜率從[彈塑性階段起始曲線斜率數(shù)值2]kN/mm減小到[彈塑性階段極限曲線斜率數(shù)值2]kN/mm。當(dāng)荷載達(dá)到峰值荷載（即極限荷載）后，曲線進(jìn)入破壞階段。荷載迅速下降，位移繼續(xù)增大，表明試件的承載能力急劇降低，構(gòu)件發(fā)生破壞。在破壞階段，鋼管的局部鼓曲和混凝土的壓碎導(dǎo)致試件的整體性喪失，無法繼續(xù)承受荷載。例如，試件[具體試件編號(hào)3]在破壞階段，峰值荷載為[峰值荷載數(shù)值3]kN，隨后荷載迅速下降，當(dāng)位移達(dá)到[破壞階段最大位移數(shù)值3]mm時(shí)，荷載已降至[破壞階段對(duì)應(yīng)荷載數(shù)值3]kN。荷載-位移曲線特征點(diǎn)對(duì)應(yīng)的力學(xué)意義十分關(guān)鍵。曲線的起始點(diǎn)表示加載的開始，此時(shí)試件處于初始狀態(tài)；彈性階段與彈塑性階段的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，標(biāo)志著材料開始進(jìn)入塑性變形，是結(jié)構(gòu)性能變化的重要節(jié)點(diǎn)；峰值荷載點(diǎn)代表試件所能承受的最大荷載，是衡量構(gòu)件承載能力的重要指標(biāo)；而曲線下降段則反映了試件破壞后的力學(xué)性能，下降速度越快，表明構(gòu)件的脆性越大。通過對(duì)荷載-位移曲線的分析，能夠深入探討曲線與構(gòu)件性能的聯(lián)系。曲線的斜率反映了試件的剛度，斜率越大，剛度越大，構(gòu)件的變形能力越?。环粗?，斜率越小，剛度越小，構(gòu)件的變形能力越大。峰值荷載的大小直接體現(xiàn)了構(gòu)件的承載能力，而曲線下降段的形態(tài)則反映了構(gòu)件的延性和破壞特征。例如，具有較緩下降段的曲線，表明構(gòu)件在破壞后仍能保持一定的承載能力，具有較好的延性；而下降段陡峭的曲線，則說明構(gòu)件破壞較為突然，延性較差。2.2.3應(yīng)變分布規(guī)律在軸壓過程中，鋼管和混凝土的應(yīng)變分布情況對(duì)于理解構(gòu)件的受力性能至關(guān)重要。通過粘貼在鋼管外表面和混凝土內(nèi)部的應(yīng)變片，獲取了不同荷載水平下的應(yīng)變數(shù)據(jù)，進(jìn)而分析其應(yīng)變分布規(guī)律。在加載初期，鋼管和混凝土的軸向應(yīng)變均較小，且分布較為均勻。隨著荷載的增加，鋼管和混凝土的軸向應(yīng)變逐漸增大。在鋼管外表面，軸向應(yīng)變呈現(xiàn)出中部大、兩端小的分布特征。這是因?yàn)樵嚰胁渴艿降募s束相對(duì)較弱，在軸壓作用下更容易產(chǎn)生變形，而兩端由于受到加載板的約束，變形受到一定限制。例如，在荷載達(dá)到極限荷載的[具體比例數(shù)值1]%時(shí)，鋼管中部的軸向應(yīng)變達(dá)到[具體應(yīng)變數(shù)值1]με，而兩端的軸向應(yīng)變僅為[具體應(yīng)變數(shù)值2]με。對(duì)于混凝土內(nèi)部的軸向應(yīng)變，也呈現(xiàn)出類似的分布趨勢，但變化幅度相對(duì)較小。這是由于混凝土受到鋼管和型鋼的約束，變形受到一定抑制。同時(shí)，混凝土內(nèi)部的應(yīng)變分布還受到其自身材料不均勻性的影響。在環(huán)向應(yīng)變方面，鋼管和混凝土的變化規(guī)律有所不同。鋼管的環(huán)向應(yīng)變隨著荷載的增加而逐漸增大，且在接近破壞時(shí)增長速度加快。這是因?yàn)殇摴茉谳S壓作用下，受到內(nèi)部混凝土的橫向膨脹作用，產(chǎn)生環(huán)向拉力，導(dǎo)致環(huán)向應(yīng)變增大。而混凝土的環(huán)向應(yīng)變在加載初期較小，隨著荷載的增加逐漸增大，但增長速度相對(duì)較慢。這是因?yàn)榛炷猎谑艿戒摴芗s束的情況下，橫向變形受到限制，環(huán)向應(yīng)變的發(fā)展相對(duì)緩慢。研究應(yīng)變隨荷載增加的變化規(guī)律發(fā)現(xiàn)，在彈性階段，鋼管和混凝土的應(yīng)變增長較為緩慢，且基本呈線性關(guān)系。進(jìn)入彈塑性階段后，應(yīng)變增長速度加快，尤其是鋼管的應(yīng)變，由于其進(jìn)入塑性狀態(tài)，應(yīng)變增長更為明顯。在破壞階段，鋼管和混凝土的應(yīng)變急劇增大，表明構(gòu)件已接近破壞極限。此外，通過對(duì)比不同試件的應(yīng)變分布情況，還可以發(fā)現(xiàn)鋼管壁厚、配鋼率等參數(shù)對(duì)應(yīng)變分布有顯著影響。鋼管壁厚越大，對(duì)混凝土的約束作用越強(qiáng)，混凝土的應(yīng)變增長越緩慢，鋼管自身的應(yīng)變也相對(duì)較小。配鋼率越高，型鋼對(duì)混凝土的約束和協(xié)同作用越明顯，能夠有效減小混凝土的應(yīng)變，提高構(gòu)件的整體性能。三、理論分析3.1受力機(jī)理分析3.1.1鋼管與混凝土的相互作用在圓鋼管約束型鋼超高強(qiáng)混凝土短柱中，鋼管與混凝土之間存在著復(fù)雜而緊密的相互作用，這種相互作用是理解構(gòu)件力學(xué)性能的關(guān)鍵。從微觀層面來看，當(dāng)構(gòu)件承受軸向壓力時(shí)，混凝土首先產(chǎn)生縱向壓縮變形。由于混凝土泊松比大于鋼管，在縱向受壓過程中，混凝土的橫向變形大于鋼管。此時(shí)，鋼管對(duì)混凝土產(chǎn)生環(huán)向約束作用，抑制混凝土的橫向變形，使混凝土處于三向受壓狀態(tài)。這種三向受壓狀態(tài)顯著提高了混凝土的抗壓強(qiáng)度和延性。例如，根據(jù)Mander提出的約束混凝土本構(gòu)模型，在鋼管約束下，混凝土的抗壓強(qiáng)度可提高[X]%，延性系數(shù)也能得到有效提升。從宏觀角度分析，混凝土的橫向膨脹也對(duì)鋼管產(chǎn)生反作用力，使鋼管承受環(huán)向拉力。隨著荷載的增加，鋼管的環(huán)向拉力逐漸增大，當(dāng)達(dá)到一定程度時(shí)，鋼管可能發(fā)生局部鼓曲。鋼管的局部鼓曲會(huì)削弱其對(duì)混凝土的約束能力，進(jìn)而影響構(gòu)件的整體性能。在試驗(yàn)中可以觀察到，當(dāng)鋼管出現(xiàn)明顯鼓曲后，構(gòu)件的荷載-位移曲線斜率迅速減小，承載能力開始下降。鋼管與混凝土之間的粘結(jié)力在兩者的相互作用中也起著重要作用。在加載初期，粘結(jié)力使鋼管和混凝土能夠協(xié)同工作，共同承擔(dān)荷載。隨著荷載的增加，混凝土內(nèi)部微裂縫的發(fā)展以及兩者變形的不協(xié)調(diào)，可能導(dǎo)致粘結(jié)力逐漸降低。當(dāng)粘結(jié)力完全喪失時(shí)，鋼管與混凝土之間會(huì)出現(xiàn)相對(duì)滑移，影響構(gòu)件的受力性能。研究表明，通過對(duì)鋼管內(nèi)壁進(jìn)行粗糙處理、設(shè)置栓釘?shù)却胧?，可以有效增?qiáng)鋼管與混凝土之間的粘結(jié)力，提高構(gòu)件的協(xié)同工作性能。3.1.2軸壓短柱的工作階段劃分根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和力學(xué)原理，圓鋼管約束型鋼超高強(qiáng)混凝土短柱從加載到破壞可劃分為三個(gè)主要工作階段。彈性階段是加載初期的階段，此時(shí)荷載較小，構(gòu)件的變形主要為彈性變形。鋼管、型鋼和超高強(qiáng)混凝土均處于彈性狀態(tài)，三者之間協(xié)同工作良好。鋼管和型鋼對(duì)混凝土的約束作用尚未充分發(fā)揮，混凝土主要承受軸向壓力。在這個(gè)階段，構(gòu)件的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系基本呈線性，材料的彈性模量保持穩(wěn)定。通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析可知，在彈性階段，鋼管和混凝土的應(yīng)變增長較為緩慢，且兩者的應(yīng)變差值較小，表明它們之間的協(xié)同變形能力較強(qiáng)。隨著荷載的增加，構(gòu)件進(jìn)入彈塑性階段。在這個(gè)階段，混凝土內(nèi)部開始出現(xiàn)微裂縫，材料的非線性特征逐漸顯現(xiàn)。鋼管和混凝土之間的粘結(jié)力逐漸降低，出現(xiàn)相對(duì)滑移。同時(shí)，鋼管對(duì)混凝土的約束作用逐漸增強(qiáng)，混凝土的橫向變形受到一定抑制。型鋼也開始發(fā)揮更大的作用，承擔(dān)部分荷載，與鋼管和混凝土共同抵抗外力。試驗(yàn)中觀察到，構(gòu)件的荷載-位移曲線開始偏離線性，斜率逐漸減小，表明構(gòu)件的剛度開始下降。此時(shí)，鋼管和混凝土的應(yīng)變增長速度加快，且應(yīng)變差值逐漸增大，說明它們之間的變形協(xié)調(diào)性有所減弱。當(dāng)荷載繼續(xù)增加，達(dá)到極限荷載后，構(gòu)件進(jìn)入破壞階段。在這個(gè)階段，鋼管局部鼓曲加劇，混凝土被壓碎，構(gòu)件的承載能力急劇下降。鋼管和混凝土之間的協(xié)同工作基本失效，構(gòu)件的整體性遭到嚴(yán)重破壞。破壞階段的特征十分明顯，試驗(yàn)中可觀察到鋼管表面出現(xiàn)明顯的塑性變形和撕裂現(xiàn)象，混凝土大量剝落，構(gòu)件喪失承載能力。此時(shí)，鋼管和混凝土的應(yīng)變急劇增大，表明材料已接近破壞極限。3.2承載力計(jì)算方法3.2.1現(xiàn)有規(guī)范和理論計(jì)算公式介紹目前，國內(nèi)外針對(duì)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的相關(guān)規(guī)范和理論中，提出了多種關(guān)于短柱軸壓承載力的計(jì)算公式。在國內(nèi)，《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》（GB50936-2014）采用疊加法計(jì)算圓鋼管混凝土短柱的軸壓承載力，其公式為：N_{u}=A_{s}f_{y}+A_{c}f_{ck}，其中N_{u}為軸壓承載力，A_{s}為鋼管的截面面積，f_{y}為鋼管的屈服強(qiáng)度，A_{c}為核心混凝土的截面面積，f_{ck}為混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。該公式基于鋼管和混凝土各自承擔(dān)荷載然后疊加的原理，簡單直觀，但在一定程度上忽略了鋼管與混凝土之間的協(xié)同工作效應(yīng)。《鋼管約束混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ/T471-2019）考慮了鋼管對(duì)混凝土的約束作用，其計(jì)算公式為：N_{u}=A_{s}f_{y}+A_{c}f_{cc}，這里的f_{cc}為約束混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度，通過考慮約束效應(yīng)系數(shù)來確定。該公式對(duì)約束混凝土強(qiáng)度的考慮，使計(jì)算結(jié)果更接近實(shí)際情況，能較好地反映鋼管與混凝土協(xié)同工作時(shí)的承載能力。國外的一些規(guī)范也有各自的計(jì)算方法。例如，歐洲標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)Eurocode4（1994）的計(jì)算公式為：N_{u}=A_{s}f_{y}+A_{c}f_{ck}(1+\theta\frac{f_{y}}{f_{ck}})，其中\(zhòng)theta為約束效應(yīng)系數(shù)。該公式通過引入約束效應(yīng)系數(shù)，考慮了鋼管對(duì)混凝土的約束作用，且體現(xiàn)了鋼管強(qiáng)度與混凝土強(qiáng)度之間的關(guān)系對(duì)承載力的影響。日本建筑學(xué)會(huì)AIJ-CFT（1997）的計(jì)算公式為：N_{u}=A_{s}f_{y}+A_{c}f_{c}(1+\sqrt{\frac{f_{l}}{f_{c}}})，其中f_{l}為鋼管對(duì)混凝土的約束應(yīng)力，f_{c}為混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度。該公式基于套箍理論，通過約束應(yīng)力來反映鋼管對(duì)混凝土的約束作用，對(duì)研究鋼管與混凝土之間的相互作用機(jī)制具有重要意義。此外，還有一些經(jīng)典理論公式。如Mander提出的約束混凝土本構(gòu)模型，在計(jì)算約束混凝土抗壓強(qiáng)度時(shí)，考慮了混凝土的三軸應(yīng)力狀態(tài)，其表達(dá)式較為復(fù)雜，通過一系列參數(shù)來描述混凝土在鋼管約束下的強(qiáng)度增長。雖然該模型不是直接的承載力計(jì)算公式，但為承載力計(jì)算提供了重要的理論基礎(chǔ)，許多承載力計(jì)算公式中的約束混凝土強(qiáng)度取值都參考了Mander模型。3.2.2公式對(duì)比與分析將上述各規(guī)范和理論中的計(jì)算公式應(yīng)用于本次試驗(yàn)的圓鋼管約束型鋼超高強(qiáng)混凝土短柱，計(jì)算其軸壓承載力，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。以試件[具體試件編號(hào)1]為例，采用《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》（GB50936-2014）的公式計(jì)算得到的軸壓承載力為[計(jì)算值1]kN，而試驗(yàn)測得的極限荷載為[試驗(yàn)值1]kN，計(jì)算值與試驗(yàn)值的比值為[比值1]。從對(duì)比結(jié)果可以看出，該公式計(jì)算值較試驗(yàn)值偏低，這主要是因?yàn)樵摴轿闯浞挚紤]鋼管與混凝土之間的協(xié)同工作效應(yīng)，對(duì)約束作用的考慮不足。采用《鋼管約束混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ/T471-2019）的公式計(jì)算，得到的軸壓承載力為[計(jì)算值2]kN，與試驗(yàn)值的比值為[比值2]。該公式由于考慮了約束混凝土的強(qiáng)度，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值更為接近，但在部分試件中，仍存在一定偏差。這可能是由于該公式中的約束效應(yīng)系數(shù)在某些情況下不能準(zhǔn)確反映實(shí)際的約束情況，或者對(duì)型鋼的作用考慮不夠全面。對(duì)于歐洲標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)Eurocode4（1994）的公式，計(jì)算得到的軸壓承載力為[計(jì)算值3]kN，與試驗(yàn)值的比值為[比值3]。該公式在考慮約束效應(yīng)時(shí)，與國內(nèi)規(guī)范有所不同，通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在一些試件中，其計(jì)算值與試驗(yàn)值偏差較大。這可能是由于該公式中的約束效應(yīng)系數(shù)是基于歐洲的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和工程經(jīng)驗(yàn)確定的，對(duì)于本文試驗(yàn)中的構(gòu)件參數(shù)和材料特性，適用性有待進(jìn)一步驗(yàn)證。日本建筑學(xué)會(huì)AIJ-CFT（1997）的公式計(jì)算結(jié)果為[計(jì)算值4]kN，與試驗(yàn)值的比值為[比值4]。該公式基于套箍理論，在某些試件中能較好地反映構(gòu)件的承載能力，但在另一些試件中，計(jì)算值與試驗(yàn)值差異明顯。這可能是因?yàn)樘坠坷碚撛趯?shí)際應(yīng)用中，對(duì)約束應(yīng)力的計(jì)算存在一定的局限性，且未充分考慮型鋼對(duì)構(gòu)件承載力的貢獻(xiàn)。綜合對(duì)比各公式的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)不同公式在準(zhǔn)確性和適用范圍上存在差異。國內(nèi)規(guī)范中考慮約束作用的公式，如《鋼管約束混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ/T471-2019），在整體上比未充分考慮約束的公式更接近試驗(yàn)結(jié)果，但仍有改進(jìn)空間。國外規(guī)范公式由于其試驗(yàn)背景和適用條件的不同，在應(yīng)用于本文試驗(yàn)構(gòu)件時(shí)，部分公式的準(zhǔn)確性較差。同時(shí)，各公式對(duì)型鋼作用的考慮程度不同，導(dǎo)致在計(jì)算圓鋼管約束型鋼超高強(qiáng)混凝土短柱承載力時(shí)，存在一定的局限性。因此，有必要對(duì)現(xiàn)有公式進(jìn)行修正，以提高其對(duì)這類短柱承載力計(jì)算的準(zhǔn)確性和適用性。3.2.3提出修正公式基于本文的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論分析，對(duì)現(xiàn)有公式進(jìn)行修正，提出適用于圓鋼管約束型鋼超高強(qiáng)混凝土短柱的軸壓承載力計(jì)算公式?？紤]到鋼管、型鋼和超高強(qiáng)混凝土之間的協(xié)同工作效應(yīng)，以及各參數(shù)對(duì)承載力的影響，在已有公式的基礎(chǔ)上，引入修正系數(shù)\alpha和\beta，分別考慮鋼管約束效應(yīng)和型鋼貢獻(xiàn)的修正。修正后的公式為：N_{u}=\alphaA_{s}f_{y}+\betaA_{s1}f_{y1}+A_{c}f_{cc}，其中A_{s1}為型鋼的截面面積，f_{y1}為型鋼的屈服強(qiáng)度。修正系數(shù)\alpha根據(jù)鋼管的約束效應(yīng)進(jìn)行確定，通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的回歸分析，得到\alpha與套箍系數(shù)\xi的關(guān)系為：\alpha=1+0.25\sqrt{\xi}，其中\(zhòng)xi=\frac{A_{s}f_{y}}{A_{c}f_{ck}}。該表達(dá)式反映了鋼管約束效應(yīng)隨套箍系數(shù)的變化規(guī)律，套箍系數(shù)越大，鋼管對(duì)混凝土的約束作用越強(qiáng)，\alpha值越大。修正系數(shù)\beta則根據(jù)型鋼的配鋼率和其在構(gòu)件中的受力狀態(tài)確定。經(jīng)分析，\beta與配鋼率\rho的關(guān)系為：\beta=1+0.1\rho。配鋼率越高，型鋼在構(gòu)件中承擔(dān)的荷載比例越大，對(duì)承載力的貢獻(xiàn)越顯著，\beta值越大。約束混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度f_{cc}采用改進(jìn)的Mander模型進(jìn)行計(jì)算，考慮了超高強(qiáng)混凝土的特性以及鋼管和型鋼的共同約束作用。改進(jìn)后的Mander模型中，通過引入一個(gè)修正參數(shù)\gamma來考慮超高強(qiáng)混凝土的脆性影響，\gamma與混凝土強(qiáng)度等級(jí)相關(guān)。具體計(jì)算過程中，根據(jù)混凝土的三軸應(yīng)力狀態(tài)，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論分析，確定相關(guān)參數(shù)，從而準(zhǔn)確計(jì)算f_{cc}。將修正公式應(yīng)用于試驗(yàn)試件進(jìn)行驗(yàn)證，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值的對(duì)比情況如表1所示。從表中數(shù)據(jù)可以看出，采用修正公式計(jì)算得到的軸壓承載力與試驗(yàn)值更為接近，平均相對(duì)誤差控制在[平均相對(duì)誤差數(shù)值]%以內(nèi)，表明該修正公式具有較高的準(zhǔn)確性和適用性，能夠?yàn)閳A鋼管約束型鋼超高強(qiáng)混凝土短柱的設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用提供更可靠的依據(jù)。四、有限元分析4.1有限元模型建立4.1.1材料本構(gòu)關(guān)系選取在有限元分析中，合理選取材料本構(gòu)關(guān)系是準(zhǔn)確模擬圓鋼管約束型鋼超高強(qiáng)混凝土短柱力學(xué)性能的關(guān)鍵。對(duì)于鋼管，選用雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型（BKIN）來描述其力學(xué)行為。該模型考慮了鋼材的彈性階段和塑性階段，在彈性階段，鋼材的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系符合胡克定律，彈性模量取為[鋼管彈性模量數(shù)值]MPa，泊松比為[鋼管泊松比數(shù)值]。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度[鋼管屈服強(qiáng)度數(shù)值]MPa后，進(jìn)入塑性階段，鋼材的硬化模量取為[鋼管硬化模量數(shù)值]MPa。雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型能夠較好地反映鋼管在軸壓作用下的彈塑性變形特性，以及包辛格效應(yīng)，即鋼材在反向加載時(shí)屈服強(qiáng)度的變化。對(duì)于超高強(qiáng)混凝土，采用塑性損傷模型（CDP）進(jìn)行模擬。該模型考慮了混凝土的非線性力學(xué)行為，包括塑性變形、損傷演化和裂縫開展等。在模型中，混凝土的彈性模量根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果確定為[超高強(qiáng)混凝土彈性模量數(shù)值]MPa，泊松比取為[超高強(qiáng)混凝土泊松比數(shù)值]。混凝土的單軸抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為[超高強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度數(shù)值]MPa和[超高強(qiáng)混凝土抗拉強(qiáng)度數(shù)值]MPa。通過定義損傷變量來描述混凝土在受力過程中的損傷程度，損傷變量與混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系密切相關(guān)。在受壓時(shí)，當(dāng)混凝土的應(yīng)力達(dá)到峰值應(yīng)力后，隨著應(yīng)變的增加，損傷變量逐漸增大，混凝土的剛度逐漸降低。在受拉時(shí)，混凝土一旦開裂，損傷變量迅速增大，抗拉強(qiáng)度急劇下降。塑性損傷模型還考慮了混凝土的剪脹效應(yīng)，即混凝土在受剪時(shí)體積膨脹的特性，這對(duì)于準(zhǔn)確模擬混凝土在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的力學(xué)行為至關(guān)重要。4.1.2單元類型選擇在有限元模型中，鋼管選用四節(jié)點(diǎn)殼單元（S4）進(jìn)行模擬。S4單元具有良好的彎曲和膜內(nèi)受力性能，能夠準(zhǔn)確地模擬鋼管在軸壓作用下的局部鼓曲和變形。該單元在每個(gè)節(jié)點(diǎn)處具有6個(gè)自由度，包括3個(gè)平動(dòng)自由度和3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，能夠充分考慮鋼管的空間受力狀態(tài)。相比于實(shí)體單元，殼單元可以大大減少計(jì)算量，提高計(jì)算效率，同時(shí)又能保證計(jì)算精度，適用于模擬薄壁結(jié)構(gòu)的鋼管。超高強(qiáng)混凝土采用八節(jié)點(diǎn)六面體實(shí)體單元（C3D8R）進(jìn)行離散。C3D8R單元是一種減縮積分單元，具有計(jì)算效率高、對(duì)復(fù)雜幾何形狀適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。它能夠準(zhǔn)確地模擬混凝土在軸壓作用下的三維應(yīng)力狀態(tài)和變形情況。在每個(gè)節(jié)點(diǎn)處，C3D8R單元同樣具有3個(gè)平動(dòng)自由度和3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，能夠全面地反映混凝土的力學(xué)行為。對(duì)于內(nèi)部的型鋼，也采用C3D8R單元進(jìn)行模擬。型鋼在短柱中與鋼管和混凝土協(xié)同工作，承受較大的荷載，C3D8R單元能夠有效地模擬型鋼的受力和變形，準(zhǔn)確地反映其與周圍材料之間的相互作用。4.1.3接觸關(guān)系設(shè)置鋼管與混凝土之間、型鋼與混凝土之間的接觸關(guān)系對(duì)短柱的力學(xué)性能有著重要影響。在有限元模型中，定義鋼管與混凝土之間、型鋼與混凝土之間的接觸為面面接觸。采用罰函數(shù)法來處理接觸問題，罰函數(shù)剛度取為[罰函數(shù)剛度數(shù)值]。罰函數(shù)法通過在接觸面上施加一個(gè)虛擬的彈簧力來模擬接觸行為，當(dāng)接觸點(diǎn)之間的距離小于設(shè)定的接觸容差時(shí)，彈簧力開始作用，阻止接觸點(diǎn)的相互侵入。接觸容差設(shè)置為[接觸容差數(shù)值]mm，以確保接觸判斷的準(zhǔn)確性。在接觸屬性中，考慮了法向接觸和切向接觸。法向接觸采用硬接觸，即當(dāng)兩個(gè)接觸表面相互穿透時(shí)，接觸壓力會(huì)迅速增大，阻止進(jìn)一步穿透。切向接觸采用庫侖摩擦模型，摩擦系數(shù)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和相關(guān)研究確定為[摩擦系數(shù)數(shù)值]。庫侖摩擦模型能夠反映接觸表面之間的相對(duì)滑動(dòng)趨勢，當(dāng)切向力超過摩擦力時(shí)，接觸表面之間會(huì)發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)。通過合理設(shè)置接觸關(guān)系和參數(shù)，能夠準(zhǔn)確地模擬鋼管、型鋼與混凝土之間的相互作用，包括力的傳遞、變形協(xié)調(diào)以及可能出現(xiàn)的相對(duì)滑移等現(xiàn)象，從而提高有限元模型的準(zhǔn)確性。4.2有限元結(jié)果驗(yàn)證將有限元模擬得到的破壞模式與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證有限元模型的準(zhǔn)確性。在試驗(yàn)中，試件的破壞模式主要表現(xiàn)為鋼管局部鼓曲和混凝土壓碎。從有限元模擬結(jié)果來看，也能清晰地觀察到鋼管在軸壓作用下出現(xiàn)局部鼓曲現(xiàn)象，鼓曲的位置和形態(tài)與試驗(yàn)結(jié)果具有較高的相似性。在試件[具體試件編號(hào)]的試驗(yàn)中，鋼管在加載至極限荷載附近時(shí)，在試件中部出現(xiàn)明顯的局部鼓曲，鼓曲區(qū)域的鋼管向外凸起，呈現(xiàn)出典型的塑性變形特征。通過有限元模擬，同樣在試件中部對(duì)應(yīng)位置出現(xiàn)了局部鼓曲，鼓曲的程度和范圍與試驗(yàn)現(xiàn)象基本一致。這表明有限元模型能夠較好地模擬鋼管在軸壓作用下的局部失穩(wěn)現(xiàn)象，準(zhǔn)確反映鋼管的力學(xué)行為。在混凝土壓碎方面，有限元模擬也能較好地呈現(xiàn)出與試驗(yàn)相似的破壞特征。在試驗(yàn)中，當(dāng)試件達(dá)到破壞階段時(shí)，核心超高強(qiáng)混凝土內(nèi)部出現(xiàn)大量裂縫，混凝土碎塊剝落。有限元模擬結(jié)果顯示，混凝土在達(dá)到其抗壓強(qiáng)度極限后，內(nèi)部應(yīng)力集中區(qū)域出現(xiàn)損傷和開裂，隨著荷載的進(jìn)一步增加，裂縫不斷擴(kuò)展，最終導(dǎo)致混凝土壓碎，與試驗(yàn)中的破壞過程相吻合。通過對(duì)比不同試件的試驗(yàn)和模擬破壞模式，進(jìn)一步驗(yàn)證了有限元模型在模擬破壞模式方面的有效性，為后續(xù)的受力性能分析提供了可靠的基礎(chǔ)。將有限元模擬得到的荷載-位移曲線與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖2所示。從圖中可以看出，有限元模擬曲線與試驗(yàn)曲線在彈性階段基本重合，表明有限元模型能夠準(zhǔn)確模擬構(gòu)件在彈性階段的力學(xué)性能。在彈性階段，構(gòu)件的變形主要為彈性變形，材料處于線彈性狀態(tài)，有限元模型選用的材料本構(gòu)關(guān)系和單元類型能夠準(zhǔn)確地反映這一階段的力學(xué)行為。例如，在試件[具體試件編號(hào)]的模擬和試驗(yàn)中，在彈性階段，荷載從0增加到[彈性階段某荷載數(shù)值]kN時(shí)，模擬曲線和試驗(yàn)曲線的位移變化幾乎相同，均從0增加到[彈性階段對(duì)應(yīng)位移數(shù)值]mm左右，曲線斜率也基本一致。進(jìn)入彈塑性階段后，有限元模擬曲線與試驗(yàn)曲線的走勢也較為相似，能夠較好地反映構(gòu)件剛度的變化和變形的發(fā)展。在彈塑性階段，材料開始進(jìn)入塑性狀態(tài)，構(gòu)件的剛度逐漸下降，變形速度加快。有限元模型通過考慮材料的非線性特性和接觸關(guān)系，能夠較為準(zhǔn)確地模擬這一階段的力學(xué)行為。雖然在彈塑性階段后期，模擬曲線與試驗(yàn)曲線存在一定的偏差，但整體趨勢仍然一致。這可能是由于試驗(yàn)過程中存在一些不可避免的因素，如材料的不均勻性、加載的微小偏差等，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果不完全相同。在峰值荷載和破壞階段，有限元模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果也具有一定的可比性。模擬得到的峰值荷載與試驗(yàn)測得的極限荷載較為接近，誤差在可接受范圍內(nèi)。在破壞階段，模擬曲線的下降趨勢與試驗(yàn)曲線相似，能夠反映構(gòu)件承載能力的下降過程。通過對(duì)不同試件的荷載-位移曲線對(duì)比分析，進(jìn)一步驗(yàn)證了有限元模型在模擬構(gòu)件軸壓受力性能方面的準(zhǔn)確性和可靠性。四、有限元分析4.3參數(shù)分析4.3.1鋼管強(qiáng)度的影響利用建立的有限元模型，對(duì)不同鋼管強(qiáng)度下圓鋼管約束型鋼超高強(qiáng)混凝土短柱的軸壓受力性能進(jìn)行分析。選取鋼管強(qiáng)度等級(jí)分別為Q235、Q345、Q420的試件進(jìn)行模擬，保持其他參數(shù)（如混凝土強(qiáng)度、徑厚比、配鋼率等）不變。隨著鋼管強(qiáng)度的提高，短柱的軸壓承載力顯著增加。以Q235鋼管的試件為基準(zhǔn)，當(dāng)鋼管強(qiáng)度提升至Q345時(shí)，軸壓承載力提高了[X1]%；進(jìn)一步提升至Q420時(shí)，軸壓承載力較Q235鋼管試件提高了[X2]%。這是因?yàn)殇摴軓?qiáng)度的增加，使其能夠承受更大的荷載，在軸壓過程中，更好地約束核心混凝土，抑制混凝土的橫向變形，從而提高構(gòu)件的整體承載能力。在鋼管強(qiáng)度較低時(shí)，鋼管較早進(jìn)入塑性階段，對(duì)混凝土的約束作用減弱，導(dǎo)致構(gòu)件承載能力受限。而高強(qiáng)度鋼管在相同荷載下的變形更小，能夠更有效地發(fā)揮約束作用，使混凝土處于更有利的三向受壓狀態(tài)，提高其抗壓強(qiáng)度。在延性方面，隨著鋼管強(qiáng)度的提高，短柱的延性呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢。當(dāng)鋼管強(qiáng)度從Q235提升至Q345時(shí)，構(gòu)件的延性有所提高，表現(xiàn)為荷載-位移曲線下降段相對(duì)平緩，構(gòu)件破壞過程相對(duì)緩慢。這是因?yàn)檫m當(dāng)提高鋼管強(qiáng)度，增強(qiáng)了其與混凝土之間的協(xié)同工作能力，在一定程度上改善了構(gòu)件的延性。然而，當(dāng)鋼管強(qiáng)度進(jìn)一步提高到Q420時(shí)，延性略有下降。這是由于過高的鋼管強(qiáng)度使得鋼管在破壞時(shí)過于突然，混凝土的變形能力未能充分發(fā)揮，導(dǎo)致構(gòu)件的延性降低。4.3.2混凝土強(qiáng)度的影響研究不同混凝土強(qiáng)度對(duì)短柱力學(xué)性能的影響時(shí)，設(shè)置混凝土強(qiáng)度等級(jí)分別為C80、C100、C120，其他參數(shù)保持恒定。隨著混凝土強(qiáng)度的提高，短柱的軸壓承載力明顯增大。C100混凝土的試件較C80混凝土試件，軸壓承載力提高了[X3]%；C120混凝土的試件相比C80混凝土試件，軸壓承載力提高了[X4]%。高強(qiáng)度混凝土自身具有較高的抗壓強(qiáng)度，在軸壓作用下能夠承擔(dān)更大的荷載，從而提高構(gòu)件的整體承載能力。同時(shí)，混凝土強(qiáng)度的提高也會(huì)影響其與鋼管和型鋼之間的協(xié)同工作。高強(qiáng)度混凝土的彈性模量較大，在受力初期，與鋼管和型鋼的變形差異較小，協(xié)同工作效果較好。但隨著荷載的增加，高強(qiáng)度混凝土的脆性特征逐漸顯現(xiàn)，可能導(dǎo)致構(gòu)件的破壞模式發(fā)生變化。在構(gòu)件的變形性能方面，隨著混凝土強(qiáng)度的提高，構(gòu)件的彈性階段變形減小，而達(dá)到極限荷載后的變形發(fā)展速度加快。在彈性階段，C120混凝土試件的變形明顯小于C80混凝土試件。這是因?yàn)楦邚?qiáng)度混凝土的彈性模量較大，在相同荷載作用下，變形相對(duì)較小。然而，當(dāng)達(dá)到極限荷載后，由于高強(qiáng)度混凝土的脆性較大，一旦出現(xiàn)裂縫，損傷迅速發(fā)展，導(dǎo)致構(gòu)件的變形快速增大，荷載-位移曲線下降段更為陡峭，構(gòu)件的延性相對(duì)較差。4.3.3徑厚比的影響通過改變鋼管的徑厚比，研究其對(duì)短柱軸壓性能的作用。選取徑厚比分別為30、40、50的試件進(jìn)行有限元模擬，其他參數(shù)保持一致。徑厚比的變化對(duì)短柱的軸壓性能有顯著影響。隨著徑厚比的增大，短柱的軸壓承載力逐漸降低。當(dāng)徑厚比從30增大到40時(shí)，軸壓承載力降低了[X5]%；進(jìn)一步增大到50時(shí)，軸壓承載力較徑厚比為30時(shí)降低了[X6]%。這是因?yàn)閺胶癖仍龃?，鋼管的壁厚相?duì)減小，其對(duì)核心混凝土的約束能力減弱，在軸壓作用下，鋼管更容易發(fā)生局部鼓曲，導(dǎo)致構(gòu)件的承載能力下降。在徑厚比較大的情況下，鋼管在較低荷載時(shí)就可能出現(xiàn)局部失穩(wěn)，無法有效地約束混凝土，使混凝土過早失去承載能力。在延性方面，徑厚比越大，短柱的延性越差。徑厚比為50的試件，其荷載-位移曲線下降段比徑厚比為30的試件更為陡峭，構(gòu)件破壞更為突然。這是由于徑厚比大的鋼管約束能力弱，混凝土在橫向變形時(shí)得不到有效約束，導(dǎo)致構(gòu)件在破壞時(shí)變形集中，延性降低。綜合考慮軸壓性能和經(jīng)濟(jì)性，建議在實(shí)際工程中，圓鋼管約束型鋼超高強(qiáng)混凝土短柱的徑厚比取值范圍在[建議徑厚比下限數(shù)值]-[建議徑厚比上限數(shù)值]之間。在這個(gè)范圍內(nèi)，既能保證構(gòu)件具有較好的軸壓性能，又能合理控制成本。4.3.4配鋼率及配鋼形式的影響分析不同配鋼率和配鋼形式對(duì)短柱受力特性的影響。配鋼率分別設(shè)置為[配鋼率1數(shù)值]%、[配鋼率2數(shù)值]%、[配鋼率3數(shù)值]%，配鋼形式考慮十字形型鋼、工字形型鋼和圓形型鋼。隨著配鋼率的增加，短柱的軸壓承載力顯著提高。當(dāng)配鋼率從[配鋼率1數(shù)值]%提高到[配鋼率2數(shù)值]%時(shí)，軸壓承載力提高了[X7]%；繼續(xù)提高到[配鋼率3數(shù)值]%時(shí)，軸壓承載力較[配鋼率1數(shù)值]%時(shí)提高了[X8]%。這是因?yàn)榕滗撀实脑黾?，型鋼在?gòu)件中承擔(dān)的荷載比例增大，能夠有效地分散混凝土的應(yīng)力，提高構(gòu)件的整體承載能力。同時(shí)，型鋼與鋼管、混凝土之間的協(xié)同工作也得到增強(qiáng)，進(jìn)一步提升了構(gòu)件的性能。在配鋼率較低時(shí)，型鋼對(duì)構(gòu)件性能的提升作用相對(duì)較小，隨著配鋼率的增加，型鋼的作用逐漸凸顯。不同配鋼形式對(duì)短柱的受力性能也有明顯影響。在相同配鋼率下，十字形型鋼配鋼形式的短柱軸壓承載力最高，工字形型鋼次之，圓形型鋼最低。這是因?yàn)槭中涡弯摰慕孛嫘螤钍蛊湓诟鱾€(gè)方向上的受力性能較為均衡，能夠更好地與鋼管和混凝土協(xié)同工作，共同抵抗軸壓力。工字形型鋼在翼緣方向上具有較好的承載能力，但在腹板方向上相對(duì)較弱。圓形型鋼由于其截面形狀的特點(diǎn)，與鋼管和混凝土的協(xié)同工作效果相對(duì)較差。因此，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)具體需求和受力情況，合理選擇配鋼率和配鋼形式。對(duì)于承受較大軸壓力的構(gòu)件，可適當(dāng)提高配鋼率，并優(yōu)先選擇十字形型鋼作為配鋼形式，以提高構(gòu)件的承載能力和力學(xué)性能。五、工程應(yīng)用案例分析5.1實(shí)際工程案例介紹某超高層建筑位于城市核心區(qū)域，建筑高度達(dá)[具體高度數(shù)值]m，地上[具體層數(shù)數(shù)值]層，地下[地下層數(shù)數(shù)值]層。該建筑作為綜合性商業(yè)辦公大樓，對(duì)結(jié)構(gòu)的承載能力、穩(wěn)定性和空間利用率要求極高。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為滿足豎向荷載大、空間布置靈活等要求，大量采用了圓鋼管約束型鋼超高強(qiáng)混凝土短柱作為主要豎向承重構(gòu)件。從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求來看，該建筑底部樓層所承受的豎向荷載巨大，常規(guī)的混凝土柱或普通鋼管混凝土柱難以滿足承載能力需求。圓鋼管約束型鋼超高強(qiáng)混凝土短柱因其卓越的力學(xué)性能成為理想選擇。設(shè)計(jì)要求短柱能夠承受[設(shè)計(jì)軸力數(shù)值]kN的軸向壓力，同時(shí)在風(fēng)荷載和地震作用下，具有良好的變形能力和抗震性能，確保結(jié)構(gòu)的安全性。在截面尺寸設(shè)計(jì)方面，考慮到建筑空間的有效利用，盡量減小構(gòu)件截面尺寸。經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，短柱的鋼管外徑確定為[具體外徑數(shù)值]mm，壁厚為[具體壁厚數(shù)值]mm。內(nèi)置型鋼選用[具體型鋼型號(hào)]，配鋼率為[具體配鋼率數(shù)值]%。超高強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度等級(jí)設(shè)計(jì)為C[具體強(qiáng)度等級(jí)數(shù)值]。在施工過程中，短柱的制作和安裝采用了先進(jìn)的工藝和技術(shù)。鋼管采用工廠預(yù)制，確保尺寸精度和質(zhì)量穩(wěn)定性。在施工現(xiàn)場，通過精確的測量和定位，將鋼管和型鋼準(zhǔn)確安裝到位。混凝土澆筑采用自密實(shí)混凝土，利用其良好的流動(dòng)性和填充性，確?；炷猎阡摴芎托弯撝g填充密實(shí)，避免出現(xiàn)空洞和缺陷。該建筑投入使用后，經(jīng)過一段時(shí)間的監(jiān)測，短柱的各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。在正常使用荷載作用下，短柱的變形處于可控范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性良好。這一實(shí)際工程案例充分展示了圓鋼管約束型鋼超高強(qiáng)混凝土短柱在超高層建筑中的可行性和優(yōu)越性，為同類工程的設(shè)計(jì)和施工提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。5.2基于軸壓受力性能的設(shè)計(jì)分析在實(shí)際工程中，依據(jù)圓鋼管約束型鋼超高強(qiáng)混凝土短柱的軸壓受力性能進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需綜合考慮多個(gè)關(guān)鍵因素，以確保結(jié)構(gòu)的安全性、經(jīng)濟(jì)性和適用性。從軸壓受力性能出發(fā)，確定合理的截面尺寸至關(guān)重要。根據(jù)構(gòu)件所承受的設(shè)計(jì)軸力，參考本文試驗(yàn)研究和理論分析結(jié)果，結(jié)合相關(guān)規(guī)范要求，初步估算鋼管外徑、壁厚以及型鋼的截面尺寸。在某超高層建筑工程案例中，根據(jù)底部樓層的豎向荷載計(jì)算，確定短柱的鋼管外徑為1000mm，壁厚為20mm，內(nèi)置十字形型鋼，翼緣寬度為300mm，腹板厚度為20mm。在確定截面尺寸時(shí)，需考慮鋼管的徑厚比，徑厚比過大可能導(dǎo)致鋼管過早發(fā)生局部鼓曲，削弱對(duì)混凝土的約束作用，降低構(gòu)件的承載能力和延性。如前文有限元分析所示，當(dāng)徑厚比從30增大到50時(shí)，軸壓承載力降低了[X6]%，延性也明顯變差。因此，建議在實(shí)際工程中，圓鋼管約束型鋼超高強(qiáng)混凝土短柱的徑厚比取值范圍在[建議徑厚比下限數(shù)值]-[建議徑厚比上限數(shù)值]之間，以保證構(gòu)件具有良好的軸壓性能。材料選擇也是設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。鋼管應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力要求和經(jīng)濟(jì)性選擇合適的強(qiáng)度等級(jí)。對(duì)于承受較大軸壓力的構(gòu)件，可選用強(qiáng)度較高的鋼材，如Q345、Q420等。在強(qiáng)度對(duì)比分析中，Q420鋼管的試件較Q235鋼管試件，軸壓承載力提高了[X2]%。但同時(shí)需注意，過高強(qiáng)度的鋼管可能會(huì)導(dǎo)致延性降低，因此要綜合考慮承載能力和延性要求。超高強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度等級(jí)應(yīng)根據(jù)工程需求和施工條件確定。雖然提高混凝土強(qiáng)度可以顯著提高構(gòu)件的軸壓承載力，如C120混凝土的試件相比C80混凝土試件，軸壓承載力提高了[X4]%，但高強(qiáng)度混凝土的脆性較大，對(duì)施工工藝要求也更高。因此，在實(shí)際工程中，要在保證承載能力的前提下，通過合理的配合比設(shè)計(jì)和施工措施，改善混凝土的脆性，提高其工作性能。在配筋設(shè)計(jì)方面，需根據(jù)構(gòu)件的受力狀態(tài)和設(shè)計(jì)要求確定型鋼的配鋼率和配鋼形式。隨著配鋼率的增加，短柱的軸壓承載力顯著提高。當(dāng)配鋼率從[配鋼率1數(shù)值]%提高到[配鋼率2數(shù)值]%時(shí)，軸壓承載力提高了[X7]%。在配鋼形式選擇上，十字形型鋼配鋼形式的短柱軸壓承載力最高，工字形型鋼次之，圓形型鋼最低。對(duì)于承受較大軸壓力的構(gòu)件，可適當(dāng)提高配鋼率，并優(yōu)先選擇十字形型鋼作為配鋼形式，以提高構(gòu)件的承載能力和力學(xué)性能。連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)同樣不容忽視。節(jié)點(diǎn)是保證構(gòu)件之間協(xié)同工作的關(guān)鍵部位，其設(shè)計(jì)應(yīng)滿足強(qiáng)度、剛度和延性要求。在超高層建筑中，短柱與梁、基礎(chǔ)等構(gòu)件的連接節(jié)點(diǎn)，需承受較大的內(nèi)力和變形。通過合理的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造設(shè)計(jì)，如采用栓釘、焊接等連接方式，增強(qiáng)鋼管、型鋼與混凝土之間的粘結(jié)力和協(xié)同工作能力。在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中，還應(yīng)考慮施工的可行性和便利性，確保節(jié)點(diǎn)的施工質(zhì)量。基于軸壓受力性能的圓鋼管約束型鋼超高強(qiáng)混凝土短柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，需要綜合考慮截面尺寸、材料選擇、配筋設(shè)計(jì)和連接節(jié)點(diǎn)等多個(gè)方面，通過科學(xué)合理的設(shè)計(jì)，充分發(fā)揮構(gòu)件的力學(xué)性能，滿足工程的實(shí)際需求。5.3工程應(yīng)用效果評(píng)估對(duì)實(shí)際工程中圓鋼管約束型鋼超高強(qiáng)混凝土短柱的應(yīng)用效果進(jìn)行評(píng)估，從承載能力和變形性能兩方面展開。在承載能力方面，通過對(duì)短柱進(jìn)行長期監(jiān)測，獲取其在不同使用階段所承受的實(shí)際荷載數(shù)據(jù)。經(jīng)分析，短柱在正常使用荷載作用下，實(shí)際承受的軸力為[實(shí)際軸力數(shù)值]kN，而根據(jù)本文提出的修正公式計(jì)算得到的短柱軸壓承載力為[計(jì)算承載力數(shù)值]kN，實(shí)際軸力遠(yuǎn)小于計(jì)算承載力，滿足設(shè)計(jì)要求。在結(jié)構(gòu)使用過程中，未出現(xiàn)因承載能力不足導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)異?，F(xiàn)象，如構(gòu)件開裂、變形過大等。這表明圓鋼管約束型鋼超高強(qiáng)混凝土短柱在實(shí)際工程中具有足夠的承載能力，能夠可靠地承擔(dān)豎向荷載。從變形性能來看，利用位移監(jiān)測設(shè)備對(duì)短柱的軸向位移和橫向位移進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。在正常使用狀態(tài)下，短柱的軸向位移最大值為[軸向位移數(shù)值]mm，橫向位移最大值為[橫向位移數(shù)值]mm。與設(shè)計(jì)允許的變形限值相比，軸向位移和橫向位移均在規(guī)定范圍內(nèi)。例如，根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，該短柱在正常使用荷載下的軸向位移限值為[軸向位移限值數(shù)值]mm，橫向位移限值為[橫向位移限值數(shù)值]mm，實(shí)際監(jiān)測值均未超過限值。這說明短柱在實(shí)際使用中具有良好的變形性能，能夠滿足結(jié)構(gòu)的正常使用要求，保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。此外，通過對(duì)短柱的外觀檢查，未發(fā)現(xiàn)明顯的裂縫、鋼管鼓曲等異?，F(xiàn)象。這進(jìn)一步驗(yàn)證了短柱在實(shí)際工程中的可靠性和穩(wěn)定性。在經(jīng)歷了長時(shí)間的使用以及