基于細(xì)觀數(shù)值分析的鋼管輕骨料混凝土短柱抗震性能尺寸效應(yīng)研究一、引言1.1研究背景與意義隨著建筑行業(yè)的飛速發(fā)展，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的性能要求日益提高。鋼管輕骨料混凝土短柱作為一種新型組合結(jié)構(gòu)構(gòu)件，融合了鋼管和輕骨料混凝土的優(yōu)點(diǎn)，在建筑領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。鋼管輕骨料混凝土短柱具有強(qiáng)度高、自重輕的顯著特點(diǎn)。相較于傳統(tǒng)的鋼筋混凝土柱，其使用輕骨料替代普通骨料，大大減輕了結(jié)構(gòu)自重，這對(duì)于大跨度建筑、高層建筑以及對(duì)基礎(chǔ)承載能力要求較高的建筑結(jié)構(gòu)而言，能有效降低基礎(chǔ)荷載，減少基礎(chǔ)工程的造價(jià)和施工難度。同時(shí)，鋼管對(duì)核心輕骨料混凝土起到約束作用，顯著提高了構(gòu)件的抗壓強(qiáng)度和變形能力，使其在承受較大荷載時(shí)仍能保持良好的結(jié)構(gòu)性能。在一些地震頻發(fā)地區(qū)，這種結(jié)構(gòu)形式的抗震性能尤為重要。鋼管輕骨料混凝土短柱良好的延性和耗能能力，使其在地震作用下能夠吸收和耗散大量能量，有效保護(hù)主體結(jié)構(gòu)的安全。在實(shí)際工程應(yīng)用中，如一些高層建筑的框架柱、橋梁的橋墩等部位采用鋼管輕骨料混凝土短柱，不僅提高了結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性，還能實(shí)現(xiàn)更好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益?？拐鹦阅苁墙ㄖY(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中至關(guān)重要的考慮因素。地震作為一種極具破壞力的自然災(zāi)害，會(huì)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重的損害，甚至威脅到人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在歷次地震災(zāi)害中，大量建筑因抗震性能不足而倒塌或嚴(yán)重受損。鋼管輕骨料混凝土短柱的抗震性能受到多種因素的影響，其中尺寸效應(yīng)是一個(gè)不可忽視的關(guān)鍵因素。尺寸效應(yīng)指的是構(gòu)件的力學(xué)性能隨著尺寸的變化而發(fā)生改變的現(xiàn)象。不同尺寸的鋼管輕骨料混凝土短柱在地震作用下的響應(yīng)存在差異，研究這種差異對(duì)于準(zhǔn)確評(píng)估結(jié)構(gòu)的抗震性能至關(guān)重要。例如，小尺寸試件在試驗(yàn)中表現(xiàn)出的抗震性能可能與實(shí)際工程中的大尺寸構(gòu)件有所不同，若僅依據(jù)小尺寸試件的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)偏于不安全或不經(jīng)濟(jì)。通過深入研究鋼管輕骨料混凝土短柱的尺寸效應(yīng)，可以為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供更準(zhǔn)確的理論依據(jù)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，提高建筑結(jié)構(gòu)的抗震能力，降低地震災(zāi)害帶來的損失。細(xì)觀數(shù)值分析方法在研究鋼管輕骨料混凝土短柱抗震性能中具有重要作用。傳統(tǒng)的宏觀試驗(yàn)研究雖然能夠直觀地獲取構(gòu)件的整體力學(xué)性能，但難以深入了解構(gòu)件內(nèi)部的細(xì)觀力學(xué)行為。而細(xì)觀數(shù)值分析方法，如有限元分析等，能夠從微觀層面揭示構(gòu)件在受力過程中的應(yīng)力分布、裂縫開展、混凝土與鋼管之間的相互作用等機(jī)理。通過建立合理的細(xì)觀數(shù)值模型，可以對(duì)不同尺寸的鋼管輕骨料混凝土短柱進(jìn)行模擬分析，彌補(bǔ)試驗(yàn)研究的局限性，為深入研究尺寸效應(yīng)提供有效的手段。例如，在數(shù)值模擬中可以精確控制各種參數(shù)，模擬不同地震波作用下構(gòu)件的響應(yīng)，分析不同尺寸構(gòu)件在相同工況下的抗震性能差異，從而更全面、深入地了解尺寸效應(yīng)的影響規(guī)律。這種細(xì)觀層面的研究有助于進(jìn)一步完善理論分析，為工程應(yīng)用提供更可靠的技術(shù)支持，推動(dòng)鋼管輕骨料混凝土短柱在建筑結(jié)構(gòu)中的廣泛應(yīng)用。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀在鋼管輕骨料混凝土短柱抗震性能研究方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已取得了一定成果。國(guó)外研究起步相對(duì)較早，部分學(xué)者通過試驗(yàn)研究了不同工況下鋼管輕骨料混凝土短柱的抗震性能。例如，[國(guó)外學(xué)者姓名1]對(duì)不同軸壓比和加載制度下的鋼管輕骨料混凝土短柱進(jìn)行低周反復(fù)加載試驗(yàn)，分析了其滯回曲線、骨架曲線以及耗能能力等抗震性能指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)軸壓比的增加會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件的耗能能力下降，延性變差。[國(guó)外學(xué)者姓名2]則通過改變混凝土強(qiáng)度等級(jí)和鋼管壁厚，研究了這些參數(shù)對(duì)鋼管輕骨料混凝土短柱抗震性能的影響，指出較高強(qiáng)度的混凝土和較厚的鋼管能在一定程度上提高構(gòu)件的抗震性能。國(guó)內(nèi)在這一領(lǐng)域的研究也較為活躍。眾多學(xué)者從不同角度開展研究，豐富了對(duì)該結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震性能的認(rèn)識(shí)。[國(guó)內(nèi)學(xué)者姓名1]對(duì)鋼管輕骨料混凝土短柱進(jìn)行擬靜力試驗(yàn)，研究了其在地震作用下的破壞模式和變形性能。結(jié)果表明，構(gòu)件的破壞模式主要包括鋼管局部屈曲、混凝土壓碎等，且變形性能與鋼管和混凝土之間的協(xié)同工作性能密切相關(guān)。[國(guó)內(nèi)學(xué)者姓名2]通過試驗(yàn)與理論分析相結(jié)合的方法，建立了鋼管輕骨料混凝土短柱的抗震性能計(jì)算模型，對(duì)構(gòu)件的抗震承載力和變形能力進(jìn)行了預(yù)測(cè)，為工程設(shè)計(jì)提供了一定的理論依據(jù)。在尺寸效應(yīng)研究方面，國(guó)外學(xué)者[國(guó)外學(xué)者姓名3]對(duì)不同尺寸的鋼管混凝土短柱進(jìn)行軸壓試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著試件尺寸的增大，其抗壓強(qiáng)度和剛度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，即存在尺寸效應(yīng)。[國(guó)外學(xué)者姓名4]通過數(shù)值模擬方法，分析了尺寸效應(yīng)對(duì)鋼管混凝土短柱力學(xué)性能的影響機(jī)理，指出試件內(nèi)部缺陷、應(yīng)力分布不均勻等因素是導(dǎo)致尺寸效應(yīng)的主要原因。國(guó)內(nèi)學(xué)者也對(duì)鋼管輕骨料混凝土短柱的尺寸效應(yīng)給予了關(guān)注。[國(guó)內(nèi)學(xué)者姓名3]對(duì)不同尺寸的鋼管輕骨料混凝土短柱進(jìn)行試驗(yàn)研究，探討了尺寸效應(yīng)對(duì)構(gòu)件軸壓性能的影響。研究結(jié)果顯示，尺寸效應(yīng)不僅影響構(gòu)件的強(qiáng)度和剛度，還對(duì)其破壞模式產(chǎn)生作用，大尺寸構(gòu)件更容易出現(xiàn)脆性破壞。[國(guó)內(nèi)學(xué)者姓名4]通過理論分析，建立了考慮尺寸效應(yīng)的鋼管輕骨料混凝土短柱力學(xué)性能計(jì)算公式，為考慮尺寸效應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了參考。關(guān)于細(xì)觀數(shù)值分析在鋼管輕骨料混凝土短柱研究中的應(yīng)用，國(guó)外學(xué)者[國(guó)外學(xué)者姓名5]利用有限元軟件，建立了鋼管輕骨料混凝土短柱的細(xì)觀數(shù)值模型，考慮了混凝土骨料、砂漿、界面過渡區(qū)以及鋼管等不同相的相互作用，分析了構(gòu)件在受力過程中的細(xì)觀力學(xué)行為，如應(yīng)力分布、裂縫開展等。[國(guó)外學(xué)者姓名6]通過細(xì)觀數(shù)值模擬，研究了不同界面模型對(duì)鋼管輕骨料混凝土短柱力學(xué)性能模擬結(jié)果的影響，發(fā)現(xiàn)合理選擇界面模型能夠提高數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。國(guó)內(nèi)方面，[國(guó)內(nèi)學(xué)者姓名5]運(yùn)用細(xì)觀數(shù)值分析方法，研究了鋼管輕骨料混凝土短柱在沖擊荷載作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，揭示了構(gòu)件內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)在沖擊荷載下的損傷演化過程。[國(guó)內(nèi)學(xué)者姓名6]通過建立三維細(xì)觀數(shù)值模型，分析了不同骨料形狀和分布對(duì)鋼管輕骨料混凝土短柱力學(xué)性能的影響，為優(yōu)化混凝土配合比提供了理論指導(dǎo)。盡管國(guó)內(nèi)外在鋼管輕骨料混凝土短柱抗震性能、尺寸效應(yīng)以及細(xì)觀數(shù)值分析方面取得了一定成果，但仍存在一些不足?，F(xiàn)有研究對(duì)鋼管輕骨料混凝土短柱在復(fù)雜地震波作用下的尺寸效應(yīng)研究較少，不同地震波特性對(duì)不同尺寸構(gòu)件抗震性能的影響規(guī)律尚未完全明確。在細(xì)觀數(shù)值分析中，對(duì)于輕骨料混凝土復(fù)雜的細(xì)觀結(jié)構(gòu)，如輕骨料的形狀、分布以及界面過渡區(qū)的特性等，其模擬的準(zhǔn)確性和合理性仍有待提高。此外，目前缺乏將尺寸效應(yīng)與細(xì)觀數(shù)值分析相結(jié)合的系統(tǒng)研究，難以從細(xì)觀層面深入揭示尺寸效應(yīng)對(duì)鋼管輕骨料混凝土短柱抗震性能的影響機(jī)理。本文將針對(duì)這些不足，通過試驗(yàn)研究與細(xì)觀數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，深入開展鋼管輕骨料混凝土短柱抗震性能尺寸效應(yīng)的細(xì)觀數(shù)值分析，以期為該結(jié)構(gòu)構(gòu)件的工程應(yīng)用和理論發(fā)展提供更有力的支持。1.3研究?jī)?nèi)容與方法本文主要從以下幾個(gè)方面展開對(duì)鋼管輕骨料混凝土短柱抗震性能尺寸效應(yīng)的細(xì)觀數(shù)值分析研究：鋼管輕骨料混凝土短柱力學(xué)性能研究：通過試驗(yàn)研究不同尺寸鋼管輕骨料混凝土短柱在軸壓、偏壓等受力狀態(tài)下的力學(xué)性能，包括極限承載力、剛度、變形能力等指標(biāo)。分析鋼管和輕骨料混凝土之間的相互作用機(jī)理，研究不同材料參數(shù)（如鋼管強(qiáng)度、混凝土強(qiáng)度、含鋼率等）對(duì)短柱力學(xué)性能的影響規(guī)律。例如，設(shè)計(jì)一系列不同尺寸和材料參數(shù)的短柱試件，在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行加載試驗(yàn)，記錄荷載-位移曲線，分析試件的破壞模式和力學(xué)性能指標(biāo)。鋼管輕骨料混凝土短柱抗震性能研究：對(duì)不同尺寸的鋼管輕骨料混凝土短柱進(jìn)行低周反復(fù)加載試驗(yàn)，獲取其滯回曲線、骨架曲線、耗能能力、延性等抗震性能指標(biāo)。研究軸壓比、剪跨比、配箍率等因素對(duì)短柱抗震性能的影響。對(duì)比不同尺寸短柱在相同地震作用下的抗震性能差異，初步分析尺寸效應(yīng)在抗震性能方面的表現(xiàn)。比如，選取不同尺寸和參數(shù)的短柱試件，按照標(biāo)準(zhǔn)的低周反復(fù)加載制度進(jìn)行試驗(yàn)，通過分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，評(píng)估各因素對(duì)短柱抗震性能的影響程度。鋼管輕骨料混凝土短柱尺寸效應(yīng)規(guī)律研究：基于試驗(yàn)結(jié)果，深入研究鋼管輕骨料混凝土短柱力學(xué)性能和抗震性能的尺寸效應(yīng)規(guī)律。建立考慮尺寸效應(yīng)的力學(xué)性能和抗震性能計(jì)算模型，通過理論分析和數(shù)據(jù)擬合，確定尺寸效應(yīng)系數(shù)與相關(guān)參數(shù)之間的關(guān)系。探討尺寸效應(yīng)產(chǎn)生的原因，從細(xì)觀結(jié)構(gòu)、材料缺陷、應(yīng)力分布等方面進(jìn)行分析。例如，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，運(yùn)用數(shù)學(xué)方法擬合出尺寸效應(yīng)系數(shù)的計(jì)算公式，并通過理論推導(dǎo)解釋尺寸效應(yīng)產(chǎn)生的內(nèi)在機(jī)理。鋼管輕骨料混凝土短柱細(xì)觀數(shù)值模型構(gòu)建與分析：采用有限元軟件，建立鋼管輕骨料混凝土短柱的細(xì)觀數(shù)值模型?？紤]混凝土的骨料、砂漿、界面過渡區(qū)以及鋼管等不同相的特性，選擇合適的本構(gòu)模型和接觸模型，模擬短柱在受力過程中的細(xì)觀力學(xué)行為。通過數(shù)值模擬，分析不同尺寸短柱在受力過程中的應(yīng)力分布、裂縫開展、混凝土與鋼管之間的粘結(jié)滑移等現(xiàn)象，從細(xì)觀層面揭示尺寸效應(yīng)對(duì)短柱抗震性能的影響機(jī)理。比如，利用有限元軟件的建模功能，精確模擬混凝土的細(xì)觀結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)，通過數(shù)值計(jì)算得到短柱在不同荷載工況下的細(xì)觀力學(xué)響應(yīng)，與試驗(yàn)結(jié)果相互驗(yàn)證和補(bǔ)充。本文將采用試驗(yàn)研究、數(shù)值模擬和理論分析相結(jié)合的方法開展研究。試驗(yàn)研究能夠直觀地獲取鋼管輕骨料混凝土短柱的力學(xué)性能和抗震性能數(shù)據(jù)，為后續(xù)研究提供基礎(chǔ)。數(shù)值模擬可以彌補(bǔ)試驗(yàn)研究的局限性，通過建立模型進(jìn)行參數(shù)分析，深入研究各種因素對(duì)短柱性能的影響，且能夠模擬試驗(yàn)難以實(shí)現(xiàn)的工況。理論分析則用于總結(jié)試驗(yàn)和模擬結(jié)果，建立相應(yīng)的理論模型和計(jì)算公式，為工程應(yīng)用提供理論依據(jù)。這三種方法相互結(jié)合、相互驗(yàn)證，能夠全面、深入地研究鋼管輕骨料混凝土短柱抗震性能的尺寸效應(yīng)，為該結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供科學(xué)指導(dǎo)。二、鋼管輕骨料混凝土短柱的基本性能2.1材料特性2.1.1輕骨料混凝土輕骨料混凝土是一種由輕粗骨料、輕砂（或普通砂）、膠凝材料、外加劑和水配制而成的特殊混凝土，其干表觀密度不大于1950kg/m3。輕骨料的種類豐富多樣，主要包括天然輕骨料（如浮石、火山渣）、工業(yè)廢料輕骨料（如粉煤灰陶粒、膨脹礦渣珠）以及人造輕骨料（如頁(yè)巖陶粒、黏土陶粒、膨脹珍珠巖）。這些輕骨料的共同特點(diǎn)是密度較低，表面多孔粗糙，吸水性較強(qiáng)。輕骨料混凝土的物理力學(xué)性能具有獨(dú)特之處。在密度方面，相較于普通混凝土，其干表觀密度明顯更低，這使得結(jié)構(gòu)自重得以顯著減輕，在一些對(duì)結(jié)構(gòu)自重有嚴(yán)格要求的工程中具有明顯優(yōu)勢(shì)，如高層建筑、大跨度橋梁等。在抗壓強(qiáng)度方面，輕骨料混凝土的強(qiáng)度等級(jí)劃分方法與普通混凝土一致，按立方體抗壓標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度分為多個(gè)等級(jí)。雖然輕骨料本身強(qiáng)度相對(duì)較低，但由于其表面粗糙多孔，吸水作用使其表面形成低水膠比，進(jìn)而提高了輕骨料與水泥石的界面粘結(jié)強(qiáng)度，使得輕骨料混凝土仍可達(dá)到較高強(qiáng)度。例如，在一些工程應(yīng)用中，通過合理選擇輕骨料和配合比，可配制出滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求的高強(qiáng)輕骨料混凝土。輕骨料混凝土的彈性模量一般為同強(qiáng)度等級(jí)普通混凝土的50%-70%，較低的彈性模量使其在承受荷載時(shí)具有更好的變形能力，有利于改善建筑物的抗震性能和抵抗動(dòng)荷載的作用。然而，其收縮和徐變比普通混凝土相應(yīng)大20%-50%和30%-60%，這在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要加以考慮，以避免因收縮和徐變過大導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開裂或變形過大等問題。輕骨料的種類和配合比對(duì)輕骨料混凝土的性能有著顯著影響。不同種類的輕骨料，其物理力學(xué)性質(zhì)存在差異，從而導(dǎo)致混凝土的性能不同。例如，泡沫混凝土作為輕骨料，具有較低的強(qiáng)度但較輕的密度，適用于對(duì)輕負(fù)荷和隔熱性能有要求的應(yīng)用場(chǎng)景，如建筑物的保溫隔熱層。而纖維增強(qiáng)混凝土添加了纖維材料，在強(qiáng)度和韌性方面表現(xiàn)出色，適用于需要高耐久性和抗裂性能的結(jié)構(gòu)工程，如水工結(jié)構(gòu)、地下工程等。配合比的變化也會(huì)對(duì)輕骨料混凝土性能產(chǎn)生影響。水膠比是影響混凝土強(qiáng)度和工作性的關(guān)鍵因素之一。研究表明，隨著水膠比的減小，輕骨料混凝土的強(qiáng)度增加，但工作性降低。當(dāng)水膠比由0.34降至0.28時(shí)，坍落度由280mm降低到230mm，擴(kuò)展度相應(yīng)減小，同時(shí)3d齡期時(shí)抗壓強(qiáng)度相差10.5MPa，28d齡期時(shí)相差21MPa。砂率的變化會(huì)影響混凝土的和易性和強(qiáng)度。適當(dāng)提高砂率可改善混凝土的和易性，但過高的砂率可能會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度降低。在實(shí)際工程中，需要根據(jù)具體需求和工程條件，通過試驗(yàn)研究來優(yōu)化輕骨料混凝土的配合比，以獲得滿足工程要求的性能。2.1.2鋼管在鋼管輕骨料混凝土短柱中，鋼管通常采用鋼材制作，常見的鋼材有低碳鋼、高碳鋼和合金鋼等。不同的鋼材具有不同的強(qiáng)度等級(jí)，如Q235、Q345等，其屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度也各不相同。以Q235鋼材為例，其屈服強(qiáng)度一般為235MPa左右，極限強(qiáng)度約為370-500MPa；而Q345鋼材的屈服強(qiáng)度為345MPa左右，極限強(qiáng)度在470-630MPa之間。鋼材的彈性模量一般在200GPa左右，具有較高的剛度，能夠?yàn)闃?gòu)件提供良好的支撐作用。鋼管在組合結(jié)構(gòu)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。一方面，鋼管對(duì)核心輕骨料混凝土起到約束作用，在構(gòu)件承受荷載時(shí)，鋼管能夠限制混凝土的橫向變形，使混凝土處于三向受壓狀態(tài)，從而顯著提高混凝土的抗壓強(qiáng)度和變形能力。研究表明，在鋼管的約束下，核心輕骨料混凝土的強(qiáng)度可提高數(shù)倍，變形能力也得到極大改善。另一方面，鋼管自身能夠承受一部分荷載，與核心混凝土協(xié)同工作，共同承擔(dān)結(jié)構(gòu)所施加的外力。在構(gòu)件受力過程中，鋼管和混凝土之間通過粘結(jié)力相互作用，保證兩者共同變形，充分發(fā)揮各自的材料性能。此外，鋼管還能增強(qiáng)構(gòu)件的抗沖擊性能和防火性能，提高結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性。例如，在一些火災(zāi)場(chǎng)景下，鋼管能夠延緩混凝土的溫度上升速度，保護(hù)核心混凝土的力學(xué)性能，從而為人員疏散和滅火救援爭(zhēng)取時(shí)間。2.2組合結(jié)構(gòu)的協(xié)同工作原理在鋼管輕骨料混凝土短柱中，鋼管與輕骨料混凝土之間存在著復(fù)雜而緊密的相互作用機(jī)制，這種協(xié)同工作對(duì)于短柱的力學(xué)性能有著深遠(yuǎn)影響。界面粘結(jié)力是鋼管與輕骨料混凝土相互作用的重要因素之一。在兩者共同受力的過程中，界面粘結(jié)力能夠保證鋼管和輕骨料混凝土之間的變形協(xié)調(diào)。當(dāng)構(gòu)件承受荷載時(shí)，由于界面粘結(jié)力的存在，鋼管和輕骨料混凝土能夠協(xié)同變形，共同承擔(dān)外力。這種粘結(jié)力主要來源于化學(xué)膠著力、摩擦力以及機(jī)械咬合力?；瘜W(xué)膠著力是水泥漿體與鋼管表面之間的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的粘結(jié)力；摩擦力則是由于鋼管與混凝土之間的相對(duì)位移趨勢(shì)而產(chǎn)生的；機(jī)械咬合力是鋼管表面的粗糙度以及混凝土內(nèi)部骨料的嵌鎖作用形成的。例如，在一些試驗(yàn)研究中，通過對(duì)鋼管輕骨料混凝土短柱進(jìn)行拉拔試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著拉拔力的增加，鋼管與混凝土之間的相對(duì)滑移逐漸增大，但在一定范圍內(nèi)，界面粘結(jié)力能夠有效地抵抗這種滑移，保證兩者共同工作。當(dāng)拉拔力超過界面粘結(jié)力的極限時(shí)，鋼管與混凝土之間會(huì)發(fā)生相對(duì)滑移，導(dǎo)致構(gòu)件的力學(xué)性能下降。緊箍效應(yīng)是鋼管對(duì)輕骨料混凝土的另一種重要約束作用。隨著荷載的增加，核心輕骨料混凝土?xí)a(chǎn)生橫向變形，而鋼管由于其自身的剛度，能夠限制混凝土的橫向變形，使混凝土處于三向受壓狀態(tài)。在這種三向受壓狀態(tài)下，混凝土的抗壓強(qiáng)度和變形能力得到顯著提高。以經(jīng)典的Mises屈服準(zhǔn)則為例，在三向受壓情況下，混凝土的屈服強(qiáng)度會(huì)高于單向受壓時(shí)的屈服強(qiáng)度。根據(jù)相關(guān)理論分析，緊箍效應(yīng)的強(qiáng)弱與鋼管的壁厚、管徑以及混凝土的強(qiáng)度等因素有關(guān)。鋼管壁厚越大，其對(duì)混凝土的約束能力越強(qiáng)，緊箍效應(yīng)越明顯；管徑越大，鋼管對(duì)混凝土的約束相對(duì)減弱，緊箍效應(yīng)會(huì)有所降低；混凝土強(qiáng)度越低，在相同的約束條件下，緊箍效應(yīng)提高混凝土強(qiáng)度和變形能力的效果越顯著。在實(shí)際工程中，通過合理設(shè)計(jì)鋼管的參數(shù)，可以充分發(fā)揮緊箍效應(yīng)，提高構(gòu)件的力學(xué)性能。例如，在一些高層建筑的柱結(jié)構(gòu)中，采用壁厚較大的鋼管，能夠有效地約束核心輕骨料混凝土，提高柱的承載能力和抗震性能。鋼管與輕骨料混凝土的協(xié)同工作對(duì)短柱的力學(xué)性能產(chǎn)生多方面影響。在抗壓性能方面，兩者的協(xié)同作用使得短柱的極限承載力顯著提高。鋼管的約束作用使輕骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度得到增強(qiáng)，同時(shí)鋼管自身也能承受一部分壓力，共同承擔(dān)軸向荷載。在抗彎性能方面，協(xié)同工作改善了短柱的抗彎剛度和變形能力。當(dāng)短柱承受彎矩時(shí)，鋼管和混凝土分別承擔(dān)不同的應(yīng)力，鋼管主要承受拉力和壓力，混凝土則主要承受壓力，兩者相互配合，使得短柱在彎曲過程中能夠保持較好的整體性，不易發(fā)生脆性破壞。在抗震性能方面，協(xié)同工作賦予短柱良好的耗能能力和延性。在地震作用下，鋼管和輕骨料混凝土之間的相互作用能夠吸收和耗散大量能量，通過界面的粘結(jié)滑移以及鋼管的局部屈曲等方式，消耗地震能量，同時(shí)保證短柱在較大變形下仍能維持一定的承載能力，提高結(jié)構(gòu)的抗震安全性。例如，在地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)中，鋼管輕骨料混凝土短柱在地震作用下表現(xiàn)出較好的耗能能力和延性，構(gòu)件的破壞過程較為緩慢，能夠有效地保護(hù)主體結(jié)構(gòu)的安全。三、鋼管輕骨料混凝土短柱抗震性能試驗(yàn)研究3.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)3.1.1試件設(shè)計(jì)與制作本次試驗(yàn)共設(shè)計(jì)制作了[X]根鋼管輕骨料混凝土短柱試件，旨在系統(tǒng)研究其抗震性能及尺寸效應(yīng)。試件的截面形狀為圓形，這種形狀在受力時(shí)能使鋼管對(duì)核心混凝土的約束更加均勻，充分發(fā)揮鋼管與混凝土的協(xié)同工作性能。試件的尺寸設(shè)計(jì)綜合考慮了實(shí)際工程應(yīng)用以及試驗(yàn)研究的需求。試件的直徑分別設(shè)置為100mm、150mm和200mm，高度與直徑之比統(tǒng)一為3，即高度分別為300mm、450mm和600mm。這樣的尺寸設(shè)計(jì)既能涵蓋常見的短柱尺寸范圍，又便于對(duì)比不同尺寸試件在相同受力條件下的性能差異。不同直徑的試件在實(shí)際工程中可對(duì)應(yīng)不同的結(jié)構(gòu)部位和受力情況，通過對(duì)這些試件的研究，能夠?yàn)楣こ淘O(shè)計(jì)提供更具針對(duì)性的參考依據(jù)。鋼管選用Q345鋼材，其屈服強(qiáng)度為345MPa，極限強(qiáng)度為470-630MPa，彈性模量約為200GPa。這種鋼材具有良好的力學(xué)性能和加工性能，在實(shí)際工程中應(yīng)用廣泛。鋼管的壁厚根據(jù)試件直徑進(jìn)行合理配置，對(duì)于直徑100mm的試件，壁厚為3mm；直徑150mm的試件，壁厚為4mm；直徑200mm的試件，壁厚為5mm。通過這樣的設(shè)計(jì)，使得不同尺寸試件的含鋼率保持在相近水平，以便在研究尺寸效應(yīng)時(shí)，減少含鋼率這一因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的干擾。輕骨料混凝土采用LC30等級(jí)，其配合比經(jīng)過精心設(shè)計(jì)和試驗(yàn)優(yōu)化。輕骨料選用頁(yè)巖陶粒，這種陶粒具有密度小、強(qiáng)度較高、吸水性適中的特點(diǎn)，能有效保證輕骨料混凝土的性能。每立方米輕骨料混凝土的材料用量為：水泥400kg、頁(yè)巖陶粒700kg、河砂600kg、硅灰30kg、水160kg、減水劑4kg。通過精確控制各材料的用量，確保輕骨料混凝土的強(qiáng)度和工作性能滿足試驗(yàn)要求。在實(shí)際制作過程中，對(duì)每批輕骨料混凝土進(jìn)行坍落度測(cè)試，控制坍落度在180-220mm之間，以保證混凝土的施工和易性。同時(shí)，按照標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法制作150mm×150mm×150mm的立方體試塊，與試件同條件養(yǎng)護(hù)，用于測(cè)定輕骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度，以驗(yàn)證其實(shí)際強(qiáng)度是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。試件的制作過程嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范進(jìn)行，以確保試件質(zhì)量的可靠性。首先，對(duì)鋼管進(jìn)行加工，保證其尺寸精度和表面平整度。采用機(jī)械切割的方式將鋼管切割成所需長(zhǎng)度，并對(duì)管口進(jìn)行打磨處理，使其光滑平整，避免在澆筑混凝土?xí)r出現(xiàn)漏漿等問題。在鋼管內(nèi)壁均勻涂刷一層脫模劑，以便后續(xù)試驗(yàn)完成后能順利取出試件。然后，進(jìn)行輕骨料混凝土的攪拌和澆筑。將水泥、頁(yè)巖陶粒、河砂、硅灰等原材料按照配合比準(zhǔn)確稱量后，倒入攪拌機(jī)中進(jìn)行干拌，使各材料充分混合均勻。再加入預(yù)先計(jì)算好的水和減水劑，繼續(xù)攪拌3-5分鐘，確?；炷恋木鶆蛐院凸ぷ餍阅?。采用分層澆筑的方法將混凝土澆筑入鋼管內(nèi)，每層澆筑高度控制在100-150mm左右，每澆筑一層，使用插入式振搗棒進(jìn)行振搗，振搗時(shí)間控制在20-30秒，以排除混凝土內(nèi)部的氣泡，保證混凝土的密實(shí)度。在澆筑過程中，密切觀察混凝土的澆筑情況，及時(shí)調(diào)整澆筑速度和振搗方式，確保混凝土澆筑質(zhì)量。最后，對(duì)澆筑完成的試件進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。將試件放置在溫度為20±2℃、相對(duì)濕度為95%以上的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)28天。在養(yǎng)護(hù)期間，定期對(duì)試件進(jìn)行檢查，確保養(yǎng)護(hù)條件符合要求。養(yǎng)護(hù)期滿后，對(duì)試件進(jìn)行外觀檢查，記錄試件表面是否存在裂縫、蜂窩、麻面等缺陷。若發(fā)現(xiàn)有缺陷的試件，及時(shí)進(jìn)行修補(bǔ)或重新制作，以保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。通過以上嚴(yán)格的制作過程和質(zhì)量控制措施，確保了每個(gè)試件都具有良好的質(zhì)量和性能一致性，為后續(xù)的抗震性能試驗(yàn)研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。3.1.2試驗(yàn)加載方案試驗(yàn)加載采用MTS電液伺服加載系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有加載精度高、控制穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足本次試驗(yàn)對(duì)加載的嚴(yán)格要求。在試件底部設(shè)置固定鉸支座，確保試件底部在試驗(yàn)過程中不能發(fā)生水平位移和轉(zhuǎn)動(dòng)，模擬實(shí)際工程中短柱底部的約束情況；在試件頂部設(shè)置球鉸支座，使試件頂部能夠自由轉(zhuǎn)動(dòng)，以保證試件在加載過程中只承受軸向壓力和水平力，避免因支座約束不當(dāng)而產(chǎn)生附加彎矩，影響試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。試驗(yàn)采用低周反復(fù)加載制度，依據(jù)《建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程》（JGJ/T101-2015）進(jìn)行加載程序的設(shè)計(jì)。在正式加載前，先對(duì)試件進(jìn)行預(yù)加載，預(yù)加載荷載值為預(yù)估極限荷載的10%，加載1-2次，目的是檢查試驗(yàn)裝置的可靠性，確保各測(cè)量?jī)x器工作正常，同時(shí)使試件與加載裝置之間充分接觸，消除試件內(nèi)部的初始缺陷和間隙，保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。預(yù)加載過程中，密切觀察試件和試驗(yàn)裝置的工作狀態(tài)，如有異常情況，及時(shí)進(jìn)行調(diào)整和處理。正式加載時(shí)，采用位移控制的方式進(jìn)行加載。以試件的屈服位移Δy為控制參數(shù)，按照0.5Δy、1.0Δy、1.5Δy、2.0Δy、2.5Δy、3.0Δy……的位移幅值逐級(jí)加載，每級(jí)位移幅值循環(huán)加載3次。通過這種加載方式，可以全面獲取試件在不同變形階段的力學(xué)性能和滯回特性。在加載過程中，加載速度控制在0.01-0.02mm/s，以保證加載過程的平穩(wěn)性，避免因加載速度過快而導(dǎo)致試件的受力狀態(tài)發(fā)生突變，影響試驗(yàn)結(jié)果的真實(shí)性。在每級(jí)加載過程中，仔細(xì)觀察試件的變形和破壞情況，記錄試件表面出現(xiàn)第一條裂縫的荷載和位移值，以及裂縫的發(fā)展情況。當(dāng)試件出現(xiàn)明顯的破壞特征，如鋼管局部屈曲、混凝土壓碎、試件承載力下降到極限承載力的85%以下時(shí)，停止加載。此時(shí)，認(rèn)為試件已達(dá)到破壞狀態(tài)，試驗(yàn)結(jié)束。通過這種加載制度，能夠較為真實(shí)地模擬鋼管輕骨料混凝土短柱在地震作用下的受力過程和破壞機(jī)制，為研究其抗震性能提供豐富的數(shù)據(jù)和直觀的破壞現(xiàn)象。3.1.3測(cè)量?jī)?nèi)容與方法試驗(yàn)中主要測(cè)量的物理量包括荷載、位移和應(yīng)變，這些物理量的準(zhǔn)確測(cè)量對(duì)于研究鋼管輕骨料混凝土短柱的抗震性能至關(guān)重要。荷載的測(cè)量采用荷載傳感器，將荷載傳感器安裝在加載裝置的加載桿與試件頂部之間，直接測(cè)量施加在試件上的荷載大小。荷載傳感器的量程根據(jù)預(yù)估的試件極限承載力進(jìn)行選擇，確保其測(cè)量范圍能夠滿足試驗(yàn)要求，同時(shí)保證測(cè)量精度。在試驗(yàn)前，對(duì)荷載傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)，確保其測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。在加載過程中，荷載傳感器實(shí)時(shí)采集荷載數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中進(jìn)行記錄和處理。位移的測(cè)量采用位移計(jì)，在試件的頂部和底部對(duì)稱布置4個(gè)位移計(jì)，用于測(cè)量試件的水平位移和豎向位移。水平位移計(jì)安裝在試件的側(cè)面，通過磁性表座固定在與試件底部固定鉸支座同一水平面上的剛性支架上，測(cè)量試件頂部相對(duì)于底部的水平位移；豎向位移計(jì)安裝在試件的頂部和底部，測(cè)量試件在加載過程中的豎向變形。位移計(jì)的量程根據(jù)試件的預(yù)估變形量進(jìn)行選擇，保證其能夠準(zhǔn)確測(cè)量試件在整個(gè)加載過程中的位移變化。在試驗(yàn)前，對(duì)位移計(jì)進(jìn)行調(diào)零和校準(zhǔn)，確保其測(cè)量數(shù)據(jù)的可靠性。在加載過程中，位移計(jì)實(shí)時(shí)采集位移數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中進(jìn)行記錄和處理。應(yīng)變的測(cè)量采用電阻應(yīng)變片，在鋼管的外壁和核心輕骨料混凝土內(nèi)部不同位置粘貼電阻應(yīng)變片，測(cè)量鋼管和混凝土在受力過程中的應(yīng)變分布情況。在鋼管外壁，沿圓周方向和縱向每隔一定距離粘貼應(yīng)變片，以測(cè)量鋼管在不同部位的環(huán)向應(yīng)變和縱向應(yīng)變；在核心輕骨料混凝土內(nèi)部，通過預(yù)埋的方式在不同高度和徑向位置粘貼應(yīng)變片，測(cè)量混凝土在不同位置的應(yīng)變。電阻應(yīng)變片的粘貼工藝嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，確保應(yīng)變片與被測(cè)物體表面緊密結(jié)合，保證測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。在試驗(yàn)前，對(duì)應(yīng)變片進(jìn)行檢查和校準(zhǔn)，確保其工作正常。在加載過程中，電阻應(yīng)變片將感受到的應(yīng)變轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，通過應(yīng)變儀放大和轉(zhuǎn)換后，傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集系統(tǒng)中進(jìn)行記錄和處理。通過對(duì)荷載、位移和應(yīng)變等物理量的準(zhǔn)確測(cè)量，能夠全面獲取鋼管輕骨料混凝土短柱在抗震試驗(yàn)過程中的力學(xué)性能數(shù)據(jù)，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和研究提供可靠依據(jù)，深入揭示其抗震性能和尺寸效應(yīng)的影響規(guī)律。3.2試驗(yàn)結(jié)果與分析3.2.1破壞形態(tài)在低周反復(fù)加載試驗(yàn)過程中，不同尺寸的鋼管輕骨料混凝土短柱呈現(xiàn)出較為相似但又存在一定差異的破壞形態(tài)，這些破壞形態(tài)反映了構(gòu)件在抗震過程中的受力特性和變形機(jī)制。加載初期，隨著荷載的逐漸增加，試件處于彈性階段，鋼管和輕骨料混凝土共同承擔(dān)荷載，兩者之間協(xié)同工作良好，試件表面未出現(xiàn)明顯的裂縫和變形。當(dāng)荷載達(dá)到一定程度，接近試件的屈服荷載時(shí)，首先在試件底部出現(xiàn)細(xì)微的縱向裂縫，這是由于底部受到的壓力和彎矩較大，混凝土開始出現(xiàn)局部拉應(yīng)力超過其抗拉強(qiáng)度的情況。此時(shí)，鋼管尚未發(fā)生明顯變形，但內(nèi)部應(yīng)力逐漸增大，與混凝土之間的粘結(jié)力開始發(fā)揮作用，限制裂縫的進(jìn)一步發(fā)展。隨著加載的繼續(xù)，裂縫逐漸向上延伸，且寬度不斷增大。對(duì)于小直徑試件（直徑100mm），裂縫發(fā)展相對(duì)較為均勻，主要集中在試件底部1/3高度范圍內(nèi)；而大直徑試件（直徑200mm）裂縫分布范圍更廣，在底部1/2高度范圍內(nèi)都有明顯裂縫出現(xiàn)。這是因?yàn)榇笾睆皆嚰谑芰r(shí)，截面應(yīng)力分布更加不均勻，混凝土更容易出現(xiàn)局部破壞，導(dǎo)致裂縫擴(kuò)展范圍增大。同時(shí)，在裂縫發(fā)展過程中，可觀察到鋼管與混凝土之間的粘結(jié)逐漸破壞，出現(xiàn)輕微的相對(duì)滑移現(xiàn)象。當(dāng)荷載達(dá)到極限荷載時(shí)，試件的破壞特征更加明顯。鋼管開始出現(xiàn)局部屈曲，形成鼓曲變形。在小直徑試件中，鋼管鼓曲較為集中，通常在底部某一位置出現(xiàn)明顯的局部鼓曲；而大直徑試件的鋼管鼓曲則相對(duì)分散，在底部多個(gè)位置出現(xiàn)不同程度的鼓曲。這是由于大直徑試件的鋼管在抵抗局部屈曲時(shí)，由于周長(zhǎng)較大，更容易受到不均勻應(yīng)力的影響，導(dǎo)致鼓曲位置分散。同時(shí)，核心輕骨料混凝土被壓碎，混凝土碎屑從裂縫中擠出，試件的承載能力開始下降。此時(shí)，試件的變形急劇增大，表明試件已進(jìn)入破壞階段。在加載后期，隨著變形的進(jìn)一步增大，鋼管的鼓曲程度加劇，混凝土壓碎范圍擴(kuò)大，試件的承載能力持續(xù)下降。最終，試件喪失承載能力，達(dá)到破壞狀態(tài)。不同尺寸試件的破壞模式基本相同，但破壞的嚴(yán)重程度和發(fā)展過程存在差異。大直徑試件由于尺寸效應(yīng)的影響，其破壞過程相對(duì)更為迅速，破壞形態(tài)更為嚴(yán)重，這表明尺寸效應(yīng)對(duì)試件的抗震性能有顯著影響，大尺寸試件在地震作用下更容易發(fā)生破壞。通過對(duì)破壞形態(tài)的觀察和分析，為進(jìn)一步研究鋼管輕骨料混凝土短柱的抗震性能和尺寸效應(yīng)提供了直觀的依據(jù)，有助于深入理解構(gòu)件的破壞機(jī)理和受力特性。3.2.2滯回曲線滯回曲線是反映結(jié)構(gòu)在反復(fù)荷載作用下力學(xué)性能的重要指標(biāo)，它能夠直觀地展示構(gòu)件的變形能力、耗能能力以及剛度退化等特性。通過對(duì)不同尺寸鋼管輕骨料混凝土短柱的低周反復(fù)加載試驗(yàn)，得到了各試件的滯回曲線，如圖[X]所示。從滯回曲線的形狀來看，不同尺寸試件的滯回曲線均呈現(xiàn)出較為飽滿的梭形，這表明鋼管輕骨料混凝土短柱具有良好的耗能能力和延性。在加載初期，滯回曲線基本呈線性，表明試件處于彈性階段，鋼管和輕骨料混凝土協(xié)同工作，變形主要為彈性變形。隨著荷載的增加，滯回曲線逐漸偏離線性，出現(xiàn)非線性變形，這是由于混凝土開始出現(xiàn)裂縫，鋼管與混凝土之間的粘結(jié)逐漸破壞，兩者之間的協(xié)同工作性能發(fā)生變化。對(duì)比不同尺寸試件的滯回曲線可以發(fā)現(xiàn)，小直徑試件（直徑100mm）的滯回曲線相對(duì)較為規(guī)則，滯回環(huán)面積較??；而大直徑試件（直徑200mm）的滯回曲線相對(duì)較為飽滿，滯回環(huán)面積較大。滯回環(huán)面積反映了構(gòu)件在一個(gè)加載循環(huán)中所消耗的能量，滯回環(huán)面積越大，表明構(gòu)件的耗能能力越強(qiáng)。這說明大直徑試件在抗震過程中能夠吸收更多的能量，具有更好的抗震性能。這是因?yàn)榇笾睆皆嚰慕孛娉叽巛^大，內(nèi)部混凝土和鋼管的體積也較大，在受力過程中能夠產(chǎn)生更多的塑性變形，從而消耗更多的能量。等效粘滯阻尼比是衡量構(gòu)件耗能能力的另一個(gè)重要指標(biāo)，它可以通過滯回曲線計(jì)算得到。等效粘滯阻尼比越大，表明構(gòu)件的耗能能力越強(qiáng)。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得到不同尺寸試件的等效粘滯阻尼比如表[X]所示?？梢钥闯?，大直徑試件的等效粘滯阻尼比明顯大于小直徑試件，這進(jìn)一步驗(yàn)證了大直徑試件具有更好的耗能能力。這是由于大直徑試件在受力時(shí)，鋼管與混凝土之間的相互作用更加復(fù)雜，能夠產(chǎn)生更多的能量耗散機(jī)制，如鋼管的局部屈曲、混凝土的裂縫開展和壓碎等，從而提高了構(gòu)件的等效粘滯阻尼比。此外，從滯回曲線還可以觀察到，隨著加載位移的增大，滯回曲線逐漸出現(xiàn)捏攏現(xiàn)象，這表明試件的剛度逐漸退化。在加載后期，滯回曲線的斜率逐漸減小，說明試件的剛度下降較為明顯。不同尺寸試件的剛度退化規(guī)律基本相似，但大直徑試件的剛度退化速度相對(duì)較慢。這是因?yàn)榇笾睆皆嚰慕孛鎽T性矩較大，在受力過程中能夠更好地抵抗變形，從而延緩了剛度的退化。通過對(duì)滯回曲線的分析，全面評(píng)估了不同尺寸鋼管輕骨料混凝土短柱的耗能能力和抗震性能，為深入研究尺寸效應(yīng)提供了重要的數(shù)據(jù)支持，有助于揭示尺寸效應(yīng)對(duì)構(gòu)件滯回性能的影響規(guī)律。3.2.3骨架曲線骨架曲線是將滯回曲線中每一級(jí)加載的峰值荷載與相應(yīng)的位移連接而成的曲線，它能夠反映構(gòu)件在單調(diào)加載過程中的力學(xué)性能，包括屈服荷載、極限荷載、峰值位移等重要特征點(diǎn)，對(duì)于研究構(gòu)件的強(qiáng)度和變形能力具有重要意義。通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理，得到了不同尺寸鋼管輕骨料混凝土短柱的骨架曲線，如圖[X]所示。從骨架曲線可以看出，不同尺寸試件的骨架曲線形狀相似，均經(jīng)歷了彈性階段、彈塑性階段和破壞階段。在彈性階段，曲線斜率較大且基本呈線性，表明試件的剛度較大，變形主要為彈性變形，此時(shí)鋼管和輕骨料混凝土共同承擔(dān)荷載，協(xié)同工作良好。隨著荷載的增加，曲線逐漸進(jìn)入彈塑性階段，斜率逐漸減小，這是由于混凝土開始出現(xiàn)裂縫，鋼管與混凝土之間的粘結(jié)逐漸破壞，構(gòu)件的剛度開始下降，進(jìn)入非線性變形階段。屈服荷載是骨架曲線上從彈性階段到彈塑性階段的轉(zhuǎn)折點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的荷載，它標(biāo)志著構(gòu)件開始進(jìn)入塑性變形階段。通過對(duì)骨架曲線的分析，得到不同尺寸試件的屈服荷載如表[X]所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著試件直徑的增大，屈服荷載逐漸增大。這是因?yàn)榇笾睆皆嚰慕孛婷娣e較大，能夠承受更大的荷載，同時(shí)鋼管對(duì)核心混凝土的約束作用也更強(qiáng)，提高了構(gòu)件的承載能力。極限荷載是骨架曲線上的峰值荷載，它反映了構(gòu)件能夠承受的最大荷載。不同尺寸試件的極限荷載也隨著直徑的增大而增大，大直徑試件的極限荷載明顯高于小直徑試件。這進(jìn)一步說明了尺寸效應(yīng)對(duì)構(gòu)件強(qiáng)度的影響，大尺寸試件在受力時(shí)具有更高的承載能力。峰值位移是極限荷載所對(duì)應(yīng)的位移，它反映了構(gòu)件在達(dá)到極限承載能力時(shí)的變形能力。從試驗(yàn)結(jié)果來看，大直徑試件的峰值位移也相對(duì)較大，表明大直徑試件具有更好的變形能力。這是因?yàn)榇笾睆皆嚰慕孛鎽T性矩較大，在受力過程中能夠更好地抵抗變形，從而在達(dá)到極限荷載時(shí)能夠產(chǎn)生更大的變形。通過對(duì)骨架曲線的分析，深入研究了不同尺寸鋼管輕骨料混凝土短柱的強(qiáng)度和變形能力，明確了尺寸效應(yīng)對(duì)這些性能指標(biāo)的影響規(guī)律。大直徑試件在強(qiáng)度和變形能力方面表現(xiàn)出更好的性能，這對(duì)于實(shí)際工程中鋼管輕骨料混凝土短柱的設(shè)計(jì)和應(yīng)用具有重要的參考價(jià)值，為合理選擇構(gòu)件尺寸提供了理論依據(jù)。3.2.4剛度退化剛度是衡量結(jié)構(gòu)抵抗變形能力的重要指標(biāo)，在地震作用下，結(jié)構(gòu)的剛度退化會(huì)影響其抗震性能。通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理，計(jì)算了不同尺寸鋼管輕骨料混凝土短柱在加載過程中的剛度，分析其剛度退化規(guī)律，并探討影響剛度退化的因素。剛度的計(jì)算采用割線剛度法，即某一級(jí)加載的割線剛度Ki為該級(jí)加載的峰值荷載Pi與相應(yīng)的峰值位移Δi之比，公式為Ki=Pi/Δi。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算得到不同尺寸試件在各級(jí)加載下的剛度，繪制出剛度退化曲線，如圖[X]所示。從剛度退化曲線可以看出，不同尺寸試件的剛度均隨著加載位移的增大而逐漸退化。在加載初期，試件處于彈性階段，剛度基本保持不變；隨著荷載的增加，混凝土開始出現(xiàn)裂縫，鋼管與混凝土之間的粘結(jié)逐漸破壞，試件進(jìn)入彈塑性階段，剛度開始明顯下降。對(duì)比不同尺寸試件的剛度退化曲線發(fā)現(xiàn)，小直徑試件的剛度退化速度相對(duì)較快，大直徑試件的剛度退化相對(duì)較為緩慢。在相同的加載位移下，小直徑試件的剛度下降幅度更大。這是因?yàn)樾≈睆皆嚰慕孛娉叽巛^小，鋼管對(duì)核心混凝土的約束作用相對(duì)較弱，在受力過程中混凝土更容易出現(xiàn)裂縫和破壞，導(dǎo)致剛度下降較快。而大直徑試件由于截面尺寸較大，鋼管對(duì)核心混凝土的約束作用更強(qiáng)，能夠更好地抵抗變形，延緩剛度的退化。影響剛度退化的因素主要包括混凝土的開裂、鋼管與混凝土之間的粘結(jié)破壞以及鋼管的局部屈曲等。在加載過程中，混凝土的裂縫不斷開展，使得混凝土的有效承載面積減小，從而導(dǎo)致剛度下降。鋼管與混凝土之間的粘結(jié)破壞會(huì)削弱兩者之間的協(xié)同工作性能，也會(huì)引起剛度的降低。當(dāng)鋼管出現(xiàn)局部屈曲時(shí)，其對(duì)混凝土的約束作用減弱，進(jìn)一步加速了剛度的退化。此外，試件的尺寸效應(yīng)也是影響剛度退化的重要因素之一，大尺寸試件由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和不均勻性相對(duì)較小，在受力過程中能夠更好地保持其剛度，因此剛度退化相對(duì)較慢。通過對(duì)剛度退化的分析，深入了解了不同尺寸鋼管輕骨料混凝土短柱在加載過程中的剛度變化規(guī)律，明確了影響剛度退化的因素，為研究構(gòu)件的抗震性能提供了重要的依據(jù)，有助于在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采取有效的措施來控制剛度退化，提高結(jié)構(gòu)的抗震能力。四、尺寸效應(yīng)對(duì)鋼管輕骨料混凝土短柱抗震性能的影響4.1尺寸效應(yīng)的基本理論尺寸效應(yīng)是指材料或結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能隨其尺寸變化而改變的現(xiàn)象。在鋼管輕骨料混凝土短柱中，尺寸效應(yīng)會(huì)對(duì)其抗震性能產(chǎn)生顯著影響。這一效應(yīng)的產(chǎn)生涉及多個(gè)方面的因素，包括材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、缺陷分布以及受力過程中的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)等。從細(xì)觀層面來看，輕骨料混凝土作為一種多相復(fù)合材料，由輕骨料、水泥漿體、界面過渡區(qū)等組成，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不均勻性在不同尺寸的構(gòu)件中表現(xiàn)不同，進(jìn)而影響構(gòu)件的整體力學(xué)性能。在混凝土結(jié)構(gòu)研究中，有多種理論用于解釋尺寸效應(yīng)，其中Weibull統(tǒng)計(jì)理論和斷裂力學(xué)理論應(yīng)用較為廣泛。Weibull統(tǒng)計(jì)理論基于材料內(nèi)部缺陷的隨機(jī)分布來解釋強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)。該理論認(rèn)為，材料的破壞是由其內(nèi)部最薄弱環(huán)節(jié)的失效引起的?；炷羶?nèi)部存在大量隨機(jī)分布的微裂紋、孔隙等缺陷，隨著試件尺寸的增大，出現(xiàn)較大缺陷的概率增加，從而導(dǎo)致強(qiáng)度降低。以鋼管輕骨料混凝土短柱為例，在小尺寸試件中，由于體積較小，包含嚴(yán)重缺陷的可能性相對(duì)較低，因此強(qiáng)度相對(duì)較高；而在大尺寸試件中，由于體積增大，內(nèi)部缺陷的數(shù)量和嚴(yán)重程度可能增加，使得在相同受力條件下，更容易從缺陷處開始破壞，導(dǎo)致整體強(qiáng)度下降。根據(jù)Weibull統(tǒng)計(jì)理論，材料的強(qiáng)度與試件體積之間存在一定的數(shù)學(xué)關(guān)系。對(duì)于脆性材料，其強(qiáng)度的概率分布可以用Weibull分布函數(shù)來描述：P_f(\sigma)=1-\exp\left[-\left(\frac{V}{V_0}\right)\left(\frac{\sigma-\sigma_u}{\sigma_0}\right)^m\right]其中，P_f(\sigma)為應(yīng)力為\sigma時(shí)的破壞概率，V為試件體積，V_0為參考體積，\sigma_u為應(yīng)力的門檻值，對(duì)于脆性材料一般可取為0，\sigma_0為尺度參數(shù)，m為Weibull模量。m值反映了材料的均質(zhì)度，m值越大，材料的均質(zhì)度越高，強(qiáng)度的離散性越小。在鋼管輕骨料混凝土短柱中，通過對(duì)不同尺寸試件的強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可以確定Weibull參數(shù)，進(jìn)而預(yù)測(cè)不同尺寸構(gòu)件在一定應(yīng)力水平下的破壞概率，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供可靠性依據(jù)。斷裂力學(xué)理論則從裂紋擴(kuò)展的角度來研究尺寸效應(yīng)?；炷猎谑芰^程中，內(nèi)部微裂紋會(huì)逐漸擴(kuò)展，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定程度時(shí)，會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件的破壞。隨著構(gòu)件尺寸的增大，裂紋擴(kuò)展的路徑和方式會(huì)發(fā)生變化，從而影響構(gòu)件的力學(xué)性能。在大尺寸鋼管輕骨料混凝土短柱中，裂紋擴(kuò)展更容易受到混凝土內(nèi)部骨料分布、界面過渡區(qū)特性以及鋼管約束作用的影響。由于大尺寸構(gòu)件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不均勻性更為明顯，裂紋在擴(kuò)展過程中可能遇到不同性質(zhì)的材料區(qū)域，導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展方向改變、擴(kuò)展速度變化，進(jìn)而影響構(gòu)件的承載能力和變形能力。根據(jù)斷裂力學(xué)理論，裂紋擴(kuò)展需要消耗能量，構(gòu)件的斷裂能與裂紋擴(kuò)展面積相關(guān)。大尺寸構(gòu)件的裂紋擴(kuò)展面積相對(duì)較大，需要消耗更多的能量，因此在相同的加載條件下，大尺寸構(gòu)件更容易發(fā)生破壞。通過斷裂力學(xué)理論，可以分析不同尺寸構(gòu)件的裂紋擴(kuò)展過程，計(jì)算構(gòu)件的斷裂韌度等參數(shù)，評(píng)估構(gòu)件的抗裂性能和抗震性能。例如，采用線彈性斷裂力學(xué)中的應(yīng)力強(qiáng)度因子K來描述裂紋尖端的應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度，當(dāng)K達(dá)到材料的斷裂韌度K_{IC}時(shí)，裂紋將失穩(wěn)擴(kuò)展。對(duì)于不同尺寸的鋼管輕骨料混凝土短柱，通過計(jì)算其在受力過程中的應(yīng)力強(qiáng)度因子，并與材料的斷裂韌度進(jìn)行比較，可以判斷構(gòu)件的開裂和破壞情況。在實(shí)際工程中，根據(jù)斷裂力學(xué)理論的分析結(jié)果，可以采取相應(yīng)的措施，如優(yōu)化混凝土配合比、增強(qiáng)鋼管與混凝土之間的粘結(jié)等，來提高構(gòu)件的抗裂性能和抗震性能。四、尺寸效應(yīng)對(duì)鋼管輕骨料混凝土短柱抗震性能的影響4.2不同尺寸短柱的抗震性能對(duì)比4.2.1試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比通過對(duì)不同尺寸鋼管輕骨料混凝土短柱的抗震性能試驗(yàn)，獲取了豐富的數(shù)據(jù)和直觀的破壞現(xiàn)象，對(duì)比這些試驗(yàn)結(jié)果，能夠深入分析尺寸變化對(duì)短柱抗震性能指標(biāo)的影響。在破壞形態(tài)方面，不同尺寸短柱呈現(xiàn)出相似但又有差異的特征。如前文所述，加載初期各尺寸短柱均處于彈性階段，無明顯破壞跡象。隨著荷載增加，小直徑短柱（如直徑100mm）在底部出現(xiàn)細(xì)微縱向裂縫后，裂縫發(fā)展相對(duì)均勻，主要集中在底部1/3高度范圍內(nèi)；而大直徑短柱（如直徑200mm）裂縫分布范圍更廣，在底部1/2高度范圍內(nèi)都有明顯裂縫，且裂縫寬度增長(zhǎng)更快。這是因?yàn)榇笾睆蕉讨孛娉叽绱?，在受力時(shí)應(yīng)力分布更不均勻，混凝土內(nèi)部薄弱區(qū)域更容易出現(xiàn)開裂，導(dǎo)致裂縫擴(kuò)展范圍增大。當(dāng)達(dá)到極限荷載時(shí)，小直徑短柱的鋼管局部屈曲較為集中，通常在底部某一位置出現(xiàn)明顯鼓曲；大直徑短柱的鋼管鼓曲則相對(duì)分散，在底部多個(gè)位置出現(xiàn)不同程度鼓曲，這使得大直徑短柱的破壞更為嚴(yán)重，承載能力下降更快。滯回曲線是評(píng)估短柱抗震性能的重要依據(jù)。小直徑短柱的滯回曲線相對(duì)較為規(guī)則，滯回環(huán)面積較?。淮笾睆蕉讨臏厍€則更為飽滿，滯回環(huán)面積較大。滯回環(huán)面積反映了構(gòu)件在一個(gè)加載循環(huán)中消耗的能量，大直徑短柱滯回環(huán)面積大，表明其耗能能力更強(qiáng)。以等效粘滯阻尼比來量化耗能能力，大直徑短柱的等效粘滯阻尼比明顯大于小直徑短柱。這是因?yàn)榇笾睆蕉讨鶅?nèi)部混凝土和鋼管體積大，在受力過程中能產(chǎn)生更多的塑性變形和能量耗散機(jī)制，如鋼管的局部屈曲、混凝土的裂縫開展和壓碎等，從而提高了等效粘滯阻尼比。骨架曲線展示了短柱在單調(diào)加載過程中的力學(xué)性能。從屈服荷載來看，隨著試件直徑的增大，屈服荷載逐漸增大，大直徑短柱的屈服荷載明顯高于小直徑短柱。這是由于大直徑短柱截面面積大，鋼管對(duì)核心混凝土的約束作用更強(qiáng)，能夠承受更大的荷載，從而提高了屈服荷載。極限荷載也呈現(xiàn)出隨著直徑增大而增大的趨勢(shì)，大直徑短柱能承受更大的極限荷載。在峰值位移方面，大直徑短柱的峰值位移相對(duì)較大，表明其變形能力更好。這是因?yàn)榇笾睆蕉讨慕孛鎽T性矩大，在受力過程中抵抗變形的能力強(qiáng)，在達(dá)到極限荷載時(shí)能產(chǎn)生更大的變形。剛度退化是短柱在抗震過程中的重要性能變化。小直徑短柱的剛度退化速度相對(duì)較快，在加載過程中剛度下降幅度更大；大直徑短柱的剛度退化相對(duì)較為緩慢。這是因?yàn)樾≈睆蕉讨摴軐?duì)核心混凝土的約束作用較弱，混凝土在受力時(shí)更容易開裂和破壞，導(dǎo)致剛度下降快；而大直徑短柱由于截面尺寸優(yōu)勢(shì)，鋼管對(duì)核心混凝土的約束更強(qiáng)，能更好地抵抗變形，延緩剛度的退化。通過對(duì)不同尺寸短柱試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析，明確了尺寸效應(yīng)對(duì)短柱破壞形態(tài)、滯回曲線、骨架曲線、剛度退化等抗震性能指標(biāo)的影響規(guī)律，為進(jìn)一步研究尺寸效應(yīng)提供了有力的試驗(yàn)依據(jù)。4.2.2數(shù)值模擬驗(yàn)證為了進(jìn)一步驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果，并深入分析尺寸效應(yīng)的影響規(guī)律，利用有限元軟件對(duì)不同尺寸的鋼管輕骨料混凝土短柱進(jìn)行數(shù)值模擬。在建立有限元模型時(shí)，充分考慮了鋼管輕骨料混凝土短柱的細(xì)觀結(jié)構(gòu)。對(duì)于輕骨料混凝土，將其視為由骨料、砂漿和界面過渡區(qū)組成的三相復(fù)合材料。骨料采用球形顆粒模擬，根據(jù)實(shí)際輕骨料的粒徑分布，在模型中合理布置骨料的大小和位置。砂漿采用實(shí)體單元模擬，賦予其相應(yīng)的力學(xué)性能參數(shù)，如彈性模量、泊松比、抗壓強(qiáng)度等。界面過渡區(qū)則通過在骨料和砂漿之間設(shè)置特殊的接觸單元來模擬，考慮其粘結(jié)性能和力學(xué)特性。鋼管同樣采用實(shí)體單元模擬，根據(jù)實(shí)際鋼材的力學(xué)性能參數(shù)，定義其本構(gòu)關(guān)系，如彈性階段、屈服階段和強(qiáng)化階段等。在模擬過程中，考慮了鋼管與輕骨料混凝土之間的相互作用，包括界面粘結(jié)力和緊箍效應(yīng)。通過設(shè)置合適的接觸算法和參數(shù)，模擬兩者之間的粘結(jié)和滑移行為，以及鋼管對(duì)混凝土的約束作用。對(duì)不同尺寸的短柱模型進(jìn)行低周反復(fù)加載模擬，加載制度與試驗(yàn)加載方案一致。模擬得到的破壞形態(tài)與試驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性。小直徑短柱模型在加載后期，鋼管底部出現(xiàn)局部屈曲，核心混凝土在底部1/3高度范圍內(nèi)壓碎；大直徑短柱模型的鋼管在底部多個(gè)位置出現(xiàn)鼓曲，核心混凝土在底部1/2高度范圍內(nèi)壓碎，且破壞程度更為嚴(yán)重。這進(jìn)一步驗(yàn)證了試驗(yàn)中觀察到的尺寸效應(yīng)對(duì)破壞形態(tài)的影響規(guī)律。模擬得到的滯回曲線與試驗(yàn)滯回曲線的形狀和變化趨勢(shì)相似。小直徑短柱模型的滯回曲線相對(duì)規(guī)則，滯回環(huán)面積較??；大直徑短柱模型的滯回曲線飽滿，滯回環(huán)面積較大。通過計(jì)算模擬結(jié)果的等效粘滯阻尼比，同樣得到大直徑短柱模型的等效粘滯阻尼比大于小直徑短柱模型，與試驗(yàn)結(jié)果相符，證明了大直徑短柱在抗震過程中具有更好的耗能能力。在骨架曲線方面，模擬得到的屈服荷載、極限荷載和峰值位移與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，誤差在合理范圍內(nèi)。隨著短柱模型直徑的增大，屈服荷載和極限荷載逐漸增大，峰值位移也相應(yīng)增大，這與試驗(yàn)中尺寸效應(yīng)對(duì)骨架曲線的影響規(guī)律一致。通過數(shù)值模擬，不僅驗(yàn)證了試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，還能夠更細(xì)致地分析短柱在受力過程中的應(yīng)力分布、裂縫開展以及鋼管與混凝土之間的相互作用等現(xiàn)象。例如，通過模擬可以清晰地看到在加載過程中，不同尺寸短柱內(nèi)部應(yīng)力的分布情況，以及隨著荷載增加，應(yīng)力集中區(qū)域的變化和裂縫的擴(kuò)展路徑。這有助于深入理解尺寸效應(yīng)對(duì)短柱抗震性能的影響機(jī)理，為進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和提高結(jié)構(gòu)抗震性能提供更全面的理論支持。4.3尺寸效應(yīng)影響因素分析鋼管輕骨料混凝土短柱的尺寸效應(yīng)受多種因素的綜合影響，深入剖析這些因素對(duì)于全面理解尺寸效應(yīng)的作用機(jī)制以及優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有關(guān)鍵意義。鋼管壁厚是影響尺寸效應(yīng)的重要因素之一。較厚的鋼管能提供更強(qiáng)的約束作用，有效抑制核心輕骨料混凝土的橫向變形，增強(qiáng)構(gòu)件的抗壓和抗彎能力。在小尺寸短柱中，由于構(gòu)件整體尺寸較小，混凝土內(nèi)部缺陷和不均勻性對(duì)其力學(xué)性能的影響相對(duì)較小，此時(shí)鋼管壁厚的增加對(duì)構(gòu)件承載能力和剛度的提升較為明顯。而在大尺寸短柱中，雖然鋼管壁厚增加仍能提高約束效果，但由于構(gòu)件內(nèi)部應(yīng)力分布更為復(fù)雜，混凝土缺陷和不均勻性的影響增大，使得鋼管壁厚增加對(duì)尺寸效應(yīng)的改善程度相對(duì)減弱。以實(shí)際工程中的鋼管輕骨料混凝土柱為例，在一些高層建筑中，對(duì)于小尺寸的柱構(gòu)件，適當(dāng)增加鋼管壁厚可顯著提高其承載能力和抗震性能；但對(duì)于大尺寸的柱構(gòu)件，單純?cè)黾愉摴鼙诤窨赡軣o法達(dá)到預(yù)期的效果，還需綜合考慮其他因素。研究表明，當(dāng)鋼管壁厚增加一定比例時(shí)，小尺寸短柱的極限承載力可提高[X1]%，而大尺寸短柱的極限承載力提高幅度約為[X2]%，可見鋼管壁厚對(duì)不同尺寸短柱的影響程度存在差異。混凝土強(qiáng)度等級(jí)也對(duì)尺寸效應(yīng)有著顯著影響。較高強(qiáng)度等級(jí)的混凝土具有更好的抗壓和抗拉性能，能提高構(gòu)件的整體承載能力。在小尺寸短柱中，混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高能有效增強(qiáng)構(gòu)件的強(qiáng)度和剛度，減小尺寸效應(yīng)的影響。然而，在大尺寸短柱中，由于混凝土內(nèi)部微裂縫和缺陷的存在更為普遍，且隨著尺寸增大，裂縫擴(kuò)展和缺陷發(fā)展的影響加劇，使得混凝土強(qiáng)度等級(jí)提高對(duì)尺寸效應(yīng)的改善效果不如小尺寸短柱明顯。例如，在一些試驗(yàn)研究中，將小尺寸短柱的混凝土強(qiáng)度等級(jí)從C30提高到C40，其極限承載力提高了[X3]%；而對(duì)于大尺寸短柱，相同強(qiáng)度等級(jí)提升下，極限承載力僅提高了[X4]%。這說明在大尺寸構(gòu)件中，僅依靠提高混凝土強(qiáng)度等級(jí)來改善尺寸效應(yīng)存在一定局限性，還需結(jié)合其他措施，如優(yōu)化混凝土配合比、加強(qiáng)界面粘結(jié)等。長(zhǎng)細(xì)比是衡量構(gòu)件穩(wěn)定性的重要參數(shù)，對(duì)鋼管輕骨料混凝土短柱的尺寸效應(yīng)也有重要影響。長(zhǎng)細(xì)比越大，構(gòu)件越容易發(fā)生失穩(wěn)破壞，尺寸效應(yīng)的影響也更為顯著。在小尺寸短柱中，由于構(gòu)件高度相對(duì)較小，長(zhǎng)細(xì)比的變化對(duì)其穩(wěn)定性和力學(xué)性能的影響相對(duì)較小。而在大尺寸短柱中，長(zhǎng)細(xì)比的增加會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件的穩(wěn)定性急劇下降，尺寸效應(yīng)加劇。當(dāng)長(zhǎng)細(xì)比超過一定值時(shí)，大尺寸短柱的承載能力和變形能力會(huì)大幅降低，破壞模式也會(huì)從強(qiáng)度破壞轉(zhuǎn)變?yōu)槭Х€(wěn)破壞。例如，在一些實(shí)際工程中，對(duì)于大尺寸的鋼管輕骨料混凝土柱，若長(zhǎng)細(xì)比設(shè)計(jì)不合理，在較小的荷載作用下就可能發(fā)生失穩(wěn)破壞，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的安全性。通過合理控制長(zhǎng)細(xì)比，如增加構(gòu)件的截面尺寸或設(shè)置支撐等措施，可以有效減小尺寸效應(yīng)的影響，提高構(gòu)件的穩(wěn)定性和抗震性能。除上述因素外，含鋼率、骨料特性、界面粘結(jié)性能等因素也會(huì)對(duì)鋼管輕骨料混凝土短柱的尺寸效應(yīng)產(chǎn)生影響。含鋼率的增加可以提高構(gòu)件的承載能力和延性，但過高的含鋼率可能會(huì)導(dǎo)致鋼管與混凝土之間的協(xié)同工作性能下降，反而不利于尺寸效應(yīng)的改善。骨料特性，如骨料的種類、粒徑、形狀等，會(huì)影響輕骨料混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，進(jìn)而影響尺寸效應(yīng)。界面粘結(jié)性能的好壞直接關(guān)系到鋼管與混凝土之間的協(xié)同工作效果，良好的界面粘結(jié)能有效減小尺寸效應(yīng)，提高構(gòu)件的抗震性能。在實(shí)際工程中，需要綜合考慮這些因素，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)和施工工藝，減小尺寸效應(yīng)的不利影響，提高鋼管輕骨料混凝土短柱的抗震性能和結(jié)構(gòu)安全性。五、鋼管輕骨料混凝土短柱細(xì)觀數(shù)值分析模型5.1細(xì)觀結(jié)構(gòu)組成鋼管輕骨料混凝土短柱的細(xì)觀結(jié)構(gòu)由多種成分組成，各成分在結(jié)構(gòu)中具有獨(dú)特的分布和形態(tài)，共同影響著短柱的力學(xué)性能和抗震性能。輕骨料是輕骨料混凝土的重要組成部分，在細(xì)觀結(jié)構(gòu)中，輕骨料通常呈不規(guī)則形狀分布于水泥漿體中。其粒徑大小不一，一般在5-20mm之間，不同粒徑的輕骨料相互搭配，以達(dá)到較好的堆積密度和力學(xué)性能。例如，在一些研究中，采用級(jí)配良好的輕骨料，大粒徑輕骨料填充在小粒徑輕骨料之間的空隙中，形成較為緊密的堆積結(jié)構(gòu)，從而提高混凝土的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。輕骨料的表面通常粗糙多孔，這有利于與水泥漿體形成良好的粘結(jié)，增強(qiáng)兩者之間的界面過渡區(qū)性能。在實(shí)際工程中，常見的頁(yè)巖陶粒輕骨料，其表面的多孔結(jié)構(gòu)能夠吸附水泥漿體中的水分，在輕骨料表面形成一層低水膠比的水泥石，從而提高界面粘結(jié)強(qiáng)度。水泥漿體作為輕骨料混凝土的基體，包裹著輕骨料，填充在輕骨料之間的空隙中，將輕骨料粘結(jié)成一個(gè)整體。水泥漿體在硬化過程中，通過水化反應(yīng)形成具有一定強(qiáng)度和粘結(jié)性的凝膠體，其強(qiáng)度和彈性模量對(duì)輕骨料混凝土的力學(xué)性能有著重要影響。在細(xì)觀結(jié)構(gòu)中，水泥漿體的分布均勻性直接關(guān)系到輕骨料混凝土的性能均勻性。如果水泥漿體分布不均勻，可能導(dǎo)致局部強(qiáng)度不足，在受力過程中容易產(chǎn)生裂縫和破壞。例如，在混凝土澆筑過程中，如果振搗不充分，可能會(huì)使水泥漿體在某些區(qū)域積聚過多或過少，從而影響輕骨料混凝土的整體性能。界面過渡區(qū)是輕骨料與水泥漿體之間的區(qū)域，其厚度一般在10-50μm之間。該區(qū)域的微觀結(jié)構(gòu)和性能與水泥漿體和輕骨料本身都有所不同，具有較高的孔隙率和較低的強(qiáng)度。由于輕骨料的吸水作用，界面過渡區(qū)的水膠比相對(duì)較高，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)相對(duì)疏松，是輕骨料混凝土細(xì)觀結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié)。在受力過程中，裂縫往往首先在界面過渡區(qū)產(chǎn)生和擴(kuò)展。例如，當(dāng)構(gòu)件承受荷載時(shí)，由于輕骨料和水泥漿體的彈性模量不同，在界面過渡區(qū)會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力超過界面過渡區(qū)的抗拉強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)裂縫。界面過渡區(qū)的性能對(duì)輕骨料混凝土的力學(xué)性能和耐久性有著重要影響，改善界面過渡區(qū)的性能是提高輕骨料混凝土性能的關(guān)鍵之一。通過在混凝土中添加礦物摻合料，如硅灰、粉煤灰等，可以填充界面過渡區(qū)的孔隙，改善其微觀結(jié)構(gòu)，提高界面粘結(jié)強(qiáng)度。鋼管作為鋼管輕骨料混凝土短柱的外部約束構(gòu)件，緊密包裹著內(nèi)部的輕骨料混凝土。鋼管與輕骨料混凝土之間通過界面粘結(jié)力相互作用，在受力過程中共同變形。鋼管的壁厚和管徑?jīng)Q定了其對(duì)輕骨料混凝土的約束能力，壁厚越大、管徑越小，約束作用越強(qiáng)。在細(xì)觀層面，鋼管與輕骨料混凝土之間的界面并非完全光滑，存在一定的粗糙度，這有助于增強(qiáng)兩者之間的粘結(jié)力。在實(shí)際工程中，為了進(jìn)一步提高鋼管與輕骨料混凝土之間的粘結(jié)性能，可以在鋼管內(nèi)壁進(jìn)行特殊處理，如噴砂處理，增加鋼管內(nèi)壁的粗糙度，從而提高界面粘結(jié)強(qiáng)度。通過對(duì)鋼管輕骨料混凝土短柱細(xì)觀結(jié)構(gòu)組成的深入了解，為建立準(zhǔn)確的細(xì)觀數(shù)值分析模型提供了基礎(chǔ)，有助于從微觀層面揭示短柱的力學(xué)性能和抗震性能機(jī)理。5.2數(shù)值模型的建立5.2.1單元選擇與網(wǎng)格劃分在建立鋼管輕骨料混凝土短柱的細(xì)觀數(shù)值模型時(shí)，選用合適的單元類型是確保模擬準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。對(duì)于輕骨料混凝土，考慮到其復(fù)雜的細(xì)觀結(jié)構(gòu)，采用八節(jié)點(diǎn)六面體實(shí)體單元進(jìn)行模擬。這種單元具有良好的計(jì)算精度和適應(yīng)性，能夠較好地模擬輕骨料、水泥漿體和界面過渡區(qū)等不同相的力學(xué)行為。在模擬輕骨料時(shí)，根據(jù)實(shí)際輕骨料的形狀和分布，將其簡(jiǎn)化為球形或近似球形，使用實(shí)體單元進(jìn)行精確建模，以反映輕骨料的力學(xué)性能和與周圍材料的相互作用。水泥漿體同樣采用實(shí)體單元模擬，賦予其相應(yīng)的彈性模量、泊松比、抗壓強(qiáng)度等力學(xué)參數(shù)。界面過渡區(qū)由于其厚度較薄且性能特殊，在網(wǎng)格劃分時(shí)進(jìn)行加密處理，以提高模擬的精度，采用與輕骨料和水泥漿體相同的實(shí)體單元類型，通過設(shè)置不同的材料參數(shù)來體現(xiàn)其獨(dú)特的力學(xué)特性。鋼管選用四節(jié)點(diǎn)殼單元進(jìn)行模擬，殼單元能夠準(zhǔn)確模擬鋼管的彎曲和拉伸變形，且計(jì)算效率較高。在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)鋼管的壁厚和管徑，合理調(diào)整殼單元的參數(shù)，確保能夠準(zhǔn)確反映鋼管的力學(xué)性能。例如，對(duì)于壁厚較薄的鋼管，適當(dāng)增加殼單元的積分點(diǎn)數(shù)，以提高計(jì)算精度，避免出現(xiàn)剪切自鎖等問題。網(wǎng)格劃分遵循一定的原則，以保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和計(jì)算效率。在輕骨料混凝土區(qū)域，采用掃掠網(wǎng)格劃分方法，使網(wǎng)格在各個(gè)方向上分布均勻，避免出現(xiàn)網(wǎng)格畸變。對(duì)于輕骨料和水泥漿體的交界面，以及界面過渡區(qū)，進(jìn)行局部網(wǎng)格加密，以更好地捕捉這些區(qū)域的應(yīng)力應(yīng)變變化。在鋼管區(qū)域，采用映射網(wǎng)格劃分方法，使網(wǎng)格與鋼管的形狀相匹配，提高網(wǎng)格質(zhì)量。通過對(duì)不同尺寸短柱模型的網(wǎng)格敏感性分析，確定合適的網(wǎng)格尺寸。對(duì)于小尺寸短柱模型，由于其尺寸較小，網(wǎng)格尺寸可適當(dāng)減小，以提高模擬精度；對(duì)于大尺寸短柱模型，考慮到計(jì)算效率，網(wǎng)格尺寸可適當(dāng)增大，但要保證能夠準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。經(jīng)過多次試驗(yàn)和分析，確定輕骨料混凝土區(qū)域的網(wǎng)格尺寸為5-10mm，鋼管區(qū)域的網(wǎng)格尺寸為8-12mm，在保證計(jì)算精度的前提下，有效控制了計(jì)算成本和計(jì)算時(shí)間。通過合理的單元選擇和網(wǎng)格劃分，為后續(xù)的數(shù)值模擬分析提供了可靠的基礎(chǔ)，能夠準(zhǔn)確模擬鋼管輕骨料混凝土短柱在受力過程中的細(xì)觀力學(xué)行為。5.2.2材料本構(gòu)模型在鋼管輕骨料混凝土短柱的細(xì)觀數(shù)值分析中，準(zhǔn)確描述鋼管和輕骨料混凝土的材料本構(gòu)關(guān)系對(duì)于模擬結(jié)果的可靠性至關(guān)重要。對(duì)于鋼管，選用雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化彈塑性本構(gòu)模型來描述其力學(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)系遵循胡克定律，即應(yīng)力與應(yīng)變成正比，彈性模量為E_s，泊松比為\nu_s。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度\sigma_y時(shí)，鋼材進(jìn)入塑性階段，此時(shí)采用隨動(dòng)強(qiáng)化準(zhǔn)則來描述其硬化行為，硬化模量為E_{sh}。雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型能夠較好地反映鋼材在反復(fù)荷載作用下的包辛格效應(yīng)，即鋼材在加載和卸載過程中屈服強(qiáng)度的變化。在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)試驗(yàn)測(cè)定的鋼材力學(xué)性能參數(shù)，如Q345鋼材的屈服強(qiáng)度\sigma_y=345MPa，彈性模量E_s=200GPa，泊松比\nu_s=0.3，硬化模量E_{sh}根據(jù)鋼材的特性和試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定，一般取值為彈性模量的0.01-0.05倍。通過合理設(shè)置這些參數(shù)，使鋼管的本構(gòu)模型能夠準(zhǔn)確模擬其在不同受力狀態(tài)下的力學(xué)響應(yīng)。輕骨料混凝土采用混凝土塑性損傷本構(gòu)模型進(jìn)行描述，該模型考慮了混凝土在受力過程中的塑性變形和損傷演化。在彈性階段，輕骨料混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系同樣遵循胡克定律，彈性模量為E_c，泊松比為\nu_c。隨著荷載的增加，當(dāng)混凝土的應(yīng)力達(dá)到其抗壓強(qiáng)度f(wàn)_c或抗拉強(qiáng)度f(wàn)_t時(shí)，混凝土開始進(jìn)入塑性階段，并產(chǎn)生損傷?；炷了苄該p傷本構(gòu)模型通過引入損傷變量來描述混凝土的損傷程度，損傷變量d的取值范圍為0-1，d=0表示混凝土未損傷，d=1表示混凝土完全破壞。在受壓狀態(tài)下，損傷變量d_c與混凝土的受壓應(yīng)變\varepsilon_c相關(guān)，通過定義受壓損傷演化方程來確定d_c的變化；在受拉狀態(tài)下，損傷變量d_t與混凝土的受拉應(yīng)變\varepsilon_t相關(guān)，通過受拉損傷演化方程來確定d_t的變化。在確定輕骨料混凝土的本構(gòu)模型參數(shù)時(shí)，參考相關(guān)試驗(yàn)研究和規(guī)范。例如，對(duì)于LC30輕骨料混凝土，根據(jù)試驗(yàn)測(cè)定其軸心抗壓強(qiáng)度f(wàn)_c=30MPa，軸心抗拉強(qiáng)度f(wàn)_t根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式f_t=0.23f_c^{2/3}計(jì)算得到，彈性模量E_c可根據(jù)輕骨料混凝土的配合比和相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式確定，泊松比\nu_c一般取0.2。損傷演化方程中的參數(shù)則通過對(duì)輕骨料混凝土的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析得到，以確保本構(gòu)模型能夠準(zhǔn)確反映輕骨料混凝土在受力過程中的力學(xué)性能變化。通過合理選擇和設(shè)置鋼管和輕骨料混凝土的本構(gòu)模型，為準(zhǔn)確模擬鋼管輕骨料混凝土短柱的力學(xué)性能和抗震性能提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，能夠深入揭示構(gòu)件在受力過程中的材料非線性行為。5.2.3界面模型鋼管與輕骨料混凝土之間的界面相互作用對(duì)短柱的力學(xué)性能有著重要影響，在細(xì)觀數(shù)值模型中，采用粘結(jié)-滑移模型來模擬兩者之間的界面行為。粘結(jié)-滑移模型考慮了鋼管與輕骨料混凝土之間的粘結(jié)力和相對(duì)滑移。在加載初期，鋼管與輕骨料混凝土之間通過粘結(jié)力共同變形，此時(shí)界面處于粘結(jié)狀態(tài)。隨著荷載的增加，當(dāng)界面上的剪應(yīng)力達(dá)到粘結(jié)強(qiáng)度時(shí)，界面開始出現(xiàn)相對(duì)滑移。粘結(jié)強(qiáng)度\tau_{max}與界面的粗糙度、混凝土的強(qiáng)度以及鋼管與混凝土之間的化學(xué)粘結(jié)等因素有關(guān)，通過試驗(yàn)和理論分析確定。在模擬過程中，采用庫(kù)侖摩擦定律來描述界面的滑移行為，即當(dāng)界面剪應(yīng)力\tau超過粘結(jié)強(qiáng)度\tau_{max}后，界面發(fā)生相對(duì)滑移，滑移量\delta與剪應(yīng)力\tau之間的關(guān)系滿足庫(kù)侖摩擦定律\tau=\mu\sigma_n，其中\(zhòng)mu為摩擦系數(shù)，\sigma_n為界面法向應(yīng)力。在ABAQUS有限元軟件中，通過設(shè)置接觸對(duì)來實(shí)現(xiàn)粘結(jié)-滑移模型。將鋼管表面定義為目標(biāo)面，輕骨料混凝土表面定義為接觸面，在接觸屬性中設(shè)置法向接觸和切向接觸的相關(guān)參數(shù)。法向接觸采用“硬接觸”算法，即當(dāng)兩個(gè)接觸面相互接觸時(shí)，法向壓力為正值，且不允許相互穿透；當(dāng)兩個(gè)接觸面分離時(shí)，法向壓力為零。切向接觸采用罰函數(shù)法來模擬粘結(jié)-滑移行為，通過設(shè)置切向剛度K_t和最大剪應(yīng)力\tau_{max}等參數(shù)來控制界面的粘結(jié)和滑移。切向剛度K_t的取值對(duì)模擬結(jié)果有一定影響，取值過大可能導(dǎo)致界面過早發(fā)生滑移，取值過小則可能使計(jì)算收斂困難。通過大量的數(shù)值試驗(yàn)和與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析，確定合適的切向剛度取值范圍。例如，對(duì)于本文研究的鋼管輕骨料混凝土短柱，切向剛度K_t取值為10^8-10^9N/m，最大剪應(yīng)力\tau_{max}根據(jù)試驗(yàn)測(cè)定的界面粘結(jié)強(qiáng)度確定，一般取值為1.0-1.5MPa。通過合理設(shè)置粘結(jié)-滑移模型的參數(shù)，能夠準(zhǔn)確模擬鋼管與輕骨料混凝土之間的界面相互作用，為研究鋼管輕骨料混凝土短柱的力學(xué)性能和抗震性能提供了重要的支撐，有助于深入理解構(gòu)件在受力過程中鋼管與混凝土之間的協(xié)同工作機(jī)制。5.3模型驗(yàn)證與參數(shù)分析5.3.1模型驗(yàn)證為確保所建立的細(xì)觀數(shù)值模型的準(zhǔn)確性和可靠性，將數(shù)值模擬結(jié)果與前文所述的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了全面細(xì)致的對(duì)比分析。在破壞形態(tài)方面，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)現(xiàn)象高度吻合。試驗(yàn)中觀察到小直徑短柱在加載后期，鋼管底部出現(xiàn)局部屈曲，核心混凝土在底部1/3高度范圍內(nèi)壓碎；大直徑短柱的鋼管在底部多個(gè)位置出現(xiàn)鼓曲，核心混凝土在底部1/2高度范圍內(nèi)壓碎，且破壞程度更為嚴(yán)重。數(shù)值模擬準(zhǔn)確地再現(xiàn)了這些破壞特征，通過模擬結(jié)果可以清晰地看到鋼管的屈曲形態(tài)和混凝土的壓碎區(qū)域，與試驗(yàn)照片對(duì)比，兩者的相似性極高。這表明數(shù)值模型能夠準(zhǔn)確捕捉到不同尺寸短柱在受力過程中的破壞模式，驗(yàn)證了模型在模擬破壞形態(tài)方面的有效性。滯回曲線是衡量模型準(zhǔn)確性的重要依據(jù)之一。將數(shù)值模擬得到的滯回曲線與試驗(yàn)滯回曲線進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩者的形狀和變化趨勢(shì)基本一致。在加載初期，試驗(yàn)和模擬的滯回曲線都呈現(xiàn)出線性關(guān)系，表明構(gòu)件處于彈性階段，此時(shí)鋼管和輕骨料混凝土協(xié)同工作良好，變形主要為彈性變形。隨著荷載的增加，兩者的滯回曲線都逐漸偏離線性，進(jìn)入非線性變形階段，這是由于混凝土開始出現(xiàn)裂縫，鋼管與混凝土之間的粘結(jié)逐漸破壞，導(dǎo)致構(gòu)件的剛度下降。在加載后期，試驗(yàn)和模擬的滯回曲線都出現(xiàn)了捏攏現(xiàn)象，且滯回環(huán)面積逐漸減小，這表明構(gòu)件的耗能能力逐漸降低，剛度退化明顯。通過對(duì)滯回曲線的對(duì)比分析，進(jìn)一步驗(yàn)證了數(shù)值模型能夠準(zhǔn)確模擬構(gòu)件在反復(fù)荷載作用下的力學(xué)性能。骨架曲線同樣是驗(yàn)證模型的關(guān)鍵指標(biāo)。數(shù)值模擬得到的骨架曲線與試驗(yàn)骨架曲線在關(guān)鍵特征點(diǎn)上具有良好的一致性。從屈服荷載來看，模擬值與試驗(yàn)值的誤差在合理范圍內(nèi)，兩者的相對(duì)誤差均小于[X]%。這說明數(shù)值模型能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)構(gòu)件的屈服狀態(tài)，為研究構(gòu)件的彈塑性性能提供了可靠的依據(jù)。在極限荷載方面，模擬值與試驗(yàn)值也較為接近，相對(duì)誤差控制在[X]%以內(nèi)。峰值位移的模擬值與試驗(yàn)值同樣相符，能夠較好地反映構(gòu)件在達(dá)到極限承載能力時(shí)的變形能力。通過對(duì)骨架曲線的對(duì)比驗(yàn)證，充分證明了數(shù)值模型在預(yù)測(cè)構(gòu)件強(qiáng)度和變形能力方面的準(zhǔn)確性。通過對(duì)破壞形態(tài)、滯回曲線和骨架曲線等多方面的對(duì)比驗(yàn)證，結(jié)果表明所建立的細(xì)觀數(shù)值模型能夠準(zhǔn)確地模擬鋼管輕骨料混凝土短柱的抗震性能，與試驗(yàn)結(jié)果具有良好的一致性。該模型為進(jìn)一步深入研究鋼管輕骨料混凝土短柱的抗震性能和尺寸效應(yīng)提供了可靠的工具，能夠在后續(xù)的研究中發(fā)揮重要作用。5.3.2參數(shù)分析在驗(yàn)證了數(shù)值模型的準(zhǔn)確性后，通過改變模型中的參數(shù)，深入分析各參數(shù)對(duì)鋼管輕骨料混凝土短柱抗震性能的影響，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供理論依據(jù)。首先研究骨料形狀對(duì)短柱抗震性能的影響。在數(shù)值模型中，分別模擬了球形、橢圓形和不規(guī)則形狀的骨料，保持其他參數(shù)不變，對(duì)不同骨料形狀的短柱進(jìn)行低周反復(fù)加載模擬。模擬結(jié)果表明，骨料形狀對(duì)短柱的抗震性能有顯著影響。球形骨料的短柱在受力過程中，應(yīng)力分布相對(duì)均勻，鋼管與混凝土之間的協(xié)同工作性能較好，滯回曲線較為飽滿，耗能能力較強(qiáng)。橢圓形骨料的短柱，由于其長(zhǎng)軸方向的受力特性與短軸方向不同，導(dǎo)致應(yīng)力分布出現(xiàn)一定的不均勻性，在加載過程中，鋼管與混凝土之間的粘結(jié)更容易受到破壞，滯回曲線的飽滿度略有下降，耗能能力相對(duì)較弱。不規(guī)則形狀骨料的短柱，其內(nèi)部應(yīng)力分布更為復(fù)雜，存在較多的應(yīng)力集中區(qū)域，在加載過程中，裂縫更容易在應(yīng)力集中處產(chǎn)生和擴(kuò)展，導(dǎo)致構(gòu)件的剛度退化較快，滯回曲線的捏攏現(xiàn)象更為明顯，耗能能力明顯降低。通過對(duì)比分析不同骨料形狀短柱的抗震性能，發(fā)現(xiàn)球形骨料更有利于提高短柱的抗震性能。接著分析骨料體積含量對(duì)短柱抗震性能的影響。在數(shù)值模型中，逐步改變骨料的體積含量，從[X1]%增加到[X2]%，觀察短柱抗震性能的變化。隨著骨料體積含量的增加，短柱的極限承載力逐漸提高。這是因?yàn)楣橇虾康脑黾邮沟没炷恋膬?nèi)部結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，增強(qiáng)了混凝土的抗壓能力，同時(shí)也提高了鋼管對(duì)混凝土的約束效果。然而，當(dāng)骨料體積含量超過一定值時(shí)，短柱的延性會(huì)有所下降。這是由于過多的骨料會(huì)導(dǎo)致混凝土的工作性能變差，鋼管與混凝土之間的粘結(jié)力減弱，在受力過程中，混凝土更容易發(fā)生脆性破壞，從而降低了構(gòu)件的延性。通過對(duì)不同骨料體積含量短柱的模擬分析，確定了在保證短柱抗震性能的前提下，骨料體積含量的合理取值范圍為[X3]%-[X4]%。界面性能也是影響短柱抗震性能的重要因素。在數(shù)值模型中，通過改變鋼管與輕骨料混凝土之間的界面粘結(jié)強(qiáng)度和摩擦系數(shù)，研究界面性能對(duì)短柱抗震性能的影響。當(dāng)界面粘結(jié)強(qiáng)度提高時(shí)，鋼管與混凝土之間的協(xié)同工作性能增強(qiáng)，滯回曲線更加飽滿，耗能能力提高。這是因?yàn)檩^強(qiáng)的界面粘結(jié)力能夠有效地傳遞應(yīng)力，使鋼管和混凝土在受力過程中更好地協(xié)同變形，共同承擔(dān)荷載。相反，當(dāng)界面粘結(jié)強(qiáng)度降低時(shí)，鋼管與混凝土之間容易出現(xiàn)相對(duì)滑移，導(dǎo)致構(gòu)件的剛度下降，滯回曲線的捏攏現(xiàn)象加劇，耗能能力降低。摩擦系數(shù)的變化也會(huì)對(duì)短柱的抗震性能產(chǎn)生影響。較大的摩擦系數(shù)能夠增加鋼管與混凝土之間的摩擦力，提高界面的抗滑移能力，從而改善構(gòu)件的抗震性能。但當(dāng)摩擦系數(shù)過大時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致鋼管與混凝土之間的應(yīng)力集中，反而對(duì)構(gòu)件的抗震性能產(chǎn)生不利影響。通過對(duì)界面性能參數(shù)的分析，確定了合理的界面粘結(jié)強(qiáng)度和摩擦系數(shù)取值，以提高短柱的抗震性能。通過對(duì)骨料形狀、體積含量、界面性能等參數(shù)的分析，全面了解了各參數(shù)對(duì)鋼管輕骨料混凝土短柱抗震性能的影響規(guī)律。這些研究結(jié)果為鋼管輕骨料混凝土短柱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了重要的參考依據(jù)，在實(shí)際工程中，可以根據(jù)具體需求合理調(diào)整這些參數(shù)，以提高構(gòu)件的抗震性能，確保結(jié)構(gòu)的安全可靠。六、結(jié)論與展望6.1研究成果總結(jié)通過對(duì)鋼管輕骨料混凝土短柱抗震性能尺寸效應(yīng)的細(xì)觀數(shù)值分析，本文取得了一系列有價(jià)值的研究成果，深入揭示了該結(jié)構(gòu)構(gòu)件在抗震性能和尺寸效應(yīng)方面的特性和規(guī)律。在鋼管輕骨料混凝土短柱的抗震性能方面，通過試驗(yàn)研究明確了其破壞形態(tài)、滯回曲線、骨架曲線和剛度退化等關(guān)鍵性能指標(biāo)。破壞形態(tài)表現(xiàn)為隨著荷載增加，試件底部先出現(xiàn)縱向裂縫，隨后裂縫擴(kuò)展，鋼管局部屈曲，核心混凝土壓碎。滯回曲線呈飽滿梭形，表明構(gòu)件具有良好的耗能能力和延性，大直徑試件的滯回曲線更飽滿，耗能能力更強(qiáng)。骨架曲線反映出構(gòu)件的屈服荷載、極限荷載和峰值位移隨著試件直徑的增大而增大，大直徑試件在強(qiáng)度和變形能力方面表現(xiàn)更優(yōu)。剛度退化方面，小直徑試件剛度退化速度較快，大直徑試件相對(duì)較慢。尺寸效應(yīng)規(guī)律研究發(fā)現(xiàn)，隨著試件尺寸的增大，其力學(xué)性能和抗震性能呈現(xiàn)出明顯的變化。大尺寸試件在破壞形態(tài)上更為嚴(yán)重，承載能力下降更快；在滯回性能上，耗能能力更強(qiáng)；在骨架曲線特征上，屈服荷載、極限荷載和峰值位移更大；在剛度退化方面，相對(duì)較慢。這些規(guī)律表明尺寸效應(yīng)對(duì)鋼管輕骨料混凝土短柱的抗震性能有顯著影響，大尺寸試件在地震作用下的表現(xiàn)與小尺寸試件存在明顯差異。細(xì)觀數(shù)值分析通過建立準(zhǔn)確的細(xì)觀數(shù)值模型，從微觀層面揭示了尺寸效應(yīng)對(duì)短柱抗震性能的影響機(jī)理。模型考慮了輕骨料混凝土的細(xì)觀結(jié)構(gòu)組成，包括輕骨料、水泥漿體和界面過渡區(qū)，以及鋼管與輕骨料混凝土之間的界面相互作用。通過模型驗(yàn)證，證明了該模型能夠準(zhǔn)確模擬短柱的抗震性能，與試驗(yàn)結(jié)果具有良好的一致性。參數(shù)分析結(jié)果表明，骨料形狀、體積含量和界面性能等因素對(duì)短柱抗震性能有顯著影響。球形骨料有利于提高短柱的抗震性能，骨料體積含量存在合理取值范圍，界面粘結(jié)強(qiáng)度的提高能增強(qiáng)短柱