局部承壓鋼管混凝土柱力學(xué)性能的多維度解析與應(yīng)用探究一、引言1.1研究背景與意義在現(xiàn)代建筑領(lǐng)域，隨著城市化進(jìn)程的加速和建筑技術(shù)的不斷進(jìn)步，各類建筑如雨后春筍般拔地而起，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的性能和安全性提出了更高要求。鋼管混凝土柱作為一種重要的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)在建筑工程中得到了廣泛應(yīng)用。鋼管混凝土柱是在鋼管中填充混凝土而形成的組合結(jié)構(gòu)，它充分發(fā)揮了鋼管和混凝土兩種材料的優(yōu)勢(shì)。鋼管對(duì)核心混凝土起到約束作用，使混凝土處于三向受壓狀態(tài)，顯著提高了混凝土的抗壓強(qiáng)度和變形能力；而核心混凝土則增強(qiáng)了鋼管壁的穩(wěn)定性，有效防止鋼管發(fā)生局部屈曲。這種協(xié)同工作機(jī)制使得鋼管混凝土柱具有較高的承載能力，相比傳統(tǒng)的鋼筋混凝土柱和鋼結(jié)構(gòu)柱，在相同承載要求下，其截面尺寸更小，能夠有效節(jié)省建筑空間，增加室內(nèi)使用面積，這對(duì)于寸土寸金的城市建筑尤為重要。在一些高層寫字樓中，采用鋼管混凝土柱可使內(nèi)部空間布局更加靈活，提高了辦公空間的利用率。同時(shí)，鋼管混凝土柱的抗震性能良好，其延性和耗能能力優(yōu)于普通混凝土柱，能夠在地震等自然災(zāi)害中有效吸收和耗散能量，保障結(jié)構(gòu)的安全。在施工方面，鋼管可作為澆筑混凝土的模板，減少了模板的支拆工作，加快了施工進(jìn)度，降低了施工成本。正是由于這些優(yōu)點(diǎn)，鋼管混凝土柱在高層建筑、大跨度橋梁、大型場(chǎng)館等眾多工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，如上海中心大廈、廣州塔等標(biāo)志性建筑都大量采用了鋼管混凝土柱結(jié)構(gòu)。在實(shí)際工程中，局部承壓情況極為常見(jiàn)且至關(guān)重要。例如，在建筑結(jié)構(gòu)中，梁與柱的節(jié)點(diǎn)處、柱腳與基礎(chǔ)的連接處，常常承受著較大的局部壓力。在這些部位，荷載并非均勻分布在構(gòu)件的整個(gè)截面上，而是集中作用在較小的局部區(qū)域。當(dāng)局部承壓能力不足時(shí)，會(huì)導(dǎo)致混凝土局部破壞、鋼管局部屈曲等問(wèn)題，進(jìn)而影響整個(gè)結(jié)構(gòu)的承載能力和穩(wěn)定性。在梁與柱的節(jié)點(diǎn)處，如果局部承壓設(shè)計(jì)不合理，可能會(huì)出現(xiàn)混凝土被壓碎、節(jié)點(diǎn)松動(dòng)等情況，使得結(jié)構(gòu)的傳力路徑發(fā)生改變，嚴(yán)重時(shí)甚至引發(fā)結(jié)構(gòu)的倒塌。研究局部承壓鋼管混凝土柱的力學(xué)性能，對(duì)于保障結(jié)構(gòu)安全和優(yōu)化設(shè)計(jì)具有不可估量的價(jià)值。深入了解其力學(xué)性能，能夠?yàn)楣こ淘O(shè)計(jì)提供更加準(zhǔn)確可靠的理論依據(jù)，確保結(jié)構(gòu)在各種工況下都能安全穩(wěn)定地運(yùn)行。通過(guò)對(duì)局部承壓鋼管混凝土柱力學(xué)性能的研究，可以合理確定構(gòu)件的尺寸、材料強(qiáng)度和配筋形式，避免因設(shè)計(jì)不合理而導(dǎo)致的安全隱患，提高結(jié)構(gòu)的可靠性。研究成果還能為現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的加固改造提供技術(shù)支持，針對(duì)局部承壓能力不足的部位，采取有效的加固措施，延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的使用壽命。對(duì)局部承壓鋼管混凝土柱力學(xué)性能的研究有助于推動(dòng)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論的發(fā)展，促進(jìn)新型結(jié)構(gòu)體系的創(chuàng)新和應(yīng)用，為建筑行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的研究最早可追溯到20世紀(jì)初，國(guó)外在這方面的研究起步較早。19世紀(jì)70年代，美國(guó)率先開(kāi)展了鋼管混凝土柱的研究，隨后前蘇聯(lián)、日本等國(guó)家也相繼投入研究。早期的研究主要集中在鋼管混凝土柱的基本力學(xué)性能，如抗壓、抗彎、抗剪性能等方面。通過(guò)大量的試驗(yàn)研究，初步揭示了鋼管與混凝土之間的協(xié)同工作機(jī)理，為后續(xù)的研究奠定了基礎(chǔ)。在抗壓性能研究中，明確了鋼管對(duì)核心混凝土的約束作用，使得混凝土的抗壓強(qiáng)度得到顯著提高。隨著研究的深入，國(guó)外學(xué)者開(kāi)始關(guān)注鋼管混凝土柱在復(fù)雜受力狀態(tài)下的性能。20世紀(jì)中葉，一些學(xué)者針對(duì)鋼管混凝土柱在偏心受壓、循環(huán)荷載等作用下的力學(xué)性能進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，鋼管混凝土柱在偏心受壓時(shí)，其承載能力和變形能力受到偏心距的顯著影響；在循環(huán)荷載作用下，鋼管混凝土柱表現(xiàn)出良好的耗能能力和延性。這些研究成果為鋼管混凝土柱在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供了重要的理論支持，使得鋼管混凝土柱在高層建筑、橋梁等領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸增多。在局部承壓性能研究方面，國(guó)外學(xué)者也取得了一定的成果。通過(guò)試驗(yàn)研究，分析了局部承壓面積比、鋼管徑厚比等因素對(duì)鋼管混凝土柱局部承壓性能的影響。一些學(xué)者提出了相應(yīng)的局部承壓強(qiáng)度計(jì)算公式，為工程設(shè)計(jì)提供了參考。然而，由于鋼管混凝土柱的局部承壓性能受到多種因素的復(fù)雜影響，目前的研究成果仍存在一定的局限性，部分計(jì)算公式在實(shí)際應(yīng)用中準(zhǔn)確性有待提高。國(guó)內(nèi)對(duì)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的研究始于20世紀(jì)60年代，雖然起步相對(duì)較晚，但發(fā)展迅速。早期的研究主要是對(duì)國(guó)外研究成果的引進(jìn)和消化吸收，結(jié)合國(guó)內(nèi)工程實(shí)際情況，開(kāi)展了一系列的試驗(yàn)研究和理論分析。在這個(gè)階段，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)鋼管混凝土柱的基本力學(xué)性能進(jìn)行了深入研究，明確了鋼管混凝土柱在我國(guó)建筑結(jié)構(gòu)中的適用性和優(yōu)勢(shì)。通過(guò)對(duì)不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土和不同材質(zhì)的鋼管進(jìn)行組合試驗(yàn)，研究了其協(xié)同工作性能，為我國(guó)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)規(guī)范制定提供了數(shù)據(jù)支持。隨著我國(guó)建筑行業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)鋼管混凝土柱的需求不斷增加，國(guó)內(nèi)學(xué)者在局部承壓性能研究方面投入了大量精力。通過(guò)大量的足尺試驗(yàn)和模型試驗(yàn)，系統(tǒng)地研究了局部承壓下鋼管混凝土柱的受力機(jī)理、破壞模式和承載能力。蔡紹懷等人通過(guò)對(duì)43個(gè)鋼管混凝土試件的局部承壓試驗(yàn)，研究了局壓面積比、鋼管徑厚比以及試件相對(duì)高度等參數(shù)對(duì)局部承壓性能的影響，發(fā)現(xiàn)鋼管混凝土的局壓強(qiáng)度提高系數(shù)高于其它形式的套箍混凝土，附加螺旋筋所提高的局壓強(qiáng)度仍可用平方根公式計(jì)算。劉威和韓林海對(duì)帶端板的鋼管混凝土軸向局壓力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，分析了端板厚度、螺栓布置等因素對(duì)構(gòu)件力學(xué)性能的影響。在理論研究方面，國(guó)內(nèi)學(xué)者提出了多種計(jì)算模型和方法，用于預(yù)測(cè)鋼管混凝土柱的局部承壓承載能力。一些學(xué)者基于試驗(yàn)結(jié)果，建立了考慮鋼管約束效應(yīng)、混凝土非線性特性等因素的理論模型，通過(guò)數(shù)學(xué)推導(dǎo)和數(shù)值模擬，對(duì)鋼管混凝土柱的局部承壓性能進(jìn)行分析。這些理論模型在一定程度上提高了計(jì)算的準(zhǔn)確性，但由于鋼管混凝土柱局部承壓?jiǎn)栴}的復(fù)雜性，現(xiàn)有的理論模型仍需進(jìn)一步完善。在數(shù)值模擬方面，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，有限元分析方法在鋼管混凝土柱局部承壓性能研究中得到了廣泛應(yīng)用。學(xué)者們利用有限元軟件，如ANSYS、ABAQUS等，建立了鋼管混凝土柱的三維有限元模型，對(duì)其在局部承壓荷載作用下的力學(xué)行為進(jìn)行模擬分析。通過(guò)數(shù)值模擬，可以直觀地觀察到鋼管和混凝土的應(yīng)力、應(yīng)變分布情況，深入研究構(gòu)件的破壞過(guò)程和機(jī)理。數(shù)值模擬還可以對(duì)不同參數(shù)進(jìn)行快速分析，為試驗(yàn)研究提供指導(dǎo)，提高研究效率。但數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性依賴于模型的合理性和參數(shù)的選取，如何建立更加準(zhǔn)確的有限元模型仍是研究的重點(diǎn)之一。綜合國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，雖然在鋼管混凝土柱局部承壓性能研究方面已經(jīng)取得了豐碩的成果，但仍存在一些不足之處。部分研究成果缺乏系統(tǒng)性和完整性，不同研究之間的結(jié)論存在一定差異，需要進(jìn)一步統(tǒng)一和完善。對(duì)于一些復(fù)雜的影響因素，如鋼管與混凝土之間的粘結(jié)滑移、局部承壓區(qū)的應(yīng)力集中等問(wèn)題，研究還不夠深入，需要進(jìn)一步加強(qiáng)。在實(shí)際工程應(yīng)用中，如何將研究成果更加有效地應(yīng)用到設(shè)計(jì)和施工中，還需要進(jìn)一步探索和實(shí)踐。1.3研究?jī)?nèi)容與方法本文將從試驗(yàn)研究、有限元模擬和理論分析三個(gè)方面，對(duì)局部承壓鋼管混凝土柱的力學(xué)性能展開(kāi)深入研究，旨在全面揭示其受力機(jī)理和破壞模式，為工程設(shè)計(jì)提供更為準(zhǔn)確可靠的理論依據(jù)。在試驗(yàn)研究方面，本文將精心設(shè)計(jì)并制作一系列不同參數(shù)的局部承壓鋼管混凝土柱試件，這些參數(shù)包括局部承壓面積比、鋼管徑厚比、混凝土強(qiáng)度等級(jí)等。通過(guò)改變這些參數(shù)，能夠系統(tǒng)地研究它們對(duì)構(gòu)件力學(xué)性能的影響規(guī)律。在局部承壓面積比的研究中，設(shè)置多個(gè)不同的比例值，觀察構(gòu)件在不同比例下的受力變化情況。隨后，在萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上對(duì)試件進(jìn)行加載試驗(yàn)，采用位移控制的加載方式，以確保加載過(guò)程的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。在加載過(guò)程中，利用高精度的應(yīng)變片和位移計(jì)，實(shí)時(shí)測(cè)量鋼管和混凝土的應(yīng)變、位移等數(shù)據(jù)。通過(guò)這些測(cè)量數(shù)據(jù)，能夠直觀地了解構(gòu)件在受力過(guò)程中的變形情況和應(yīng)力分布規(guī)律，為后續(xù)的分析提供可靠的數(shù)據(jù)支持。對(duì)于有限元模擬，將借助大型通用有限元軟件ABAQUS，建立精確的局部承壓鋼管混凝土柱有限元模型。在建模過(guò)程中，充分考慮鋼管與混凝土之間的相互作用，包括粘結(jié)滑移、接觸壓力等因素。采用合適的單元類型和材料本構(gòu)模型，能夠準(zhǔn)確地模擬鋼管和混凝土的力學(xué)行為。對(duì)于鋼管，選用彈塑性本構(gòu)模型，以反映其在受力過(guò)程中的非線性特性；對(duì)于混凝土，采用考慮損傷和塑性的本構(gòu)模型，能夠更真實(shí)地模擬混凝土的受力性能。通過(guò)將有限元模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，能夠確保模型的準(zhǔn)確性和可靠性。利用驗(yàn)證后的模型，進(jìn)一步分析不同參數(shù)對(duì)構(gòu)件力學(xué)性能的影響，通過(guò)參數(shù)化分析，能夠快速、全面地了解各個(gè)參數(shù)的變化對(duì)構(gòu)件力學(xué)性能的影響趨勢(shì)，為試驗(yàn)研究提供有益的補(bǔ)充和指導(dǎo)。在理論分析方面，基于試驗(yàn)研究和有限元模擬的結(jié)果，深入探討局部承壓鋼管混凝土柱的受力機(jī)理。從微觀和宏觀兩個(gè)層面，分析鋼管和混凝土在受力過(guò)程中的協(xié)同工作機(jī)制，揭示其承載能力的形成和發(fā)展過(guò)程。在此基礎(chǔ)上，考慮鋼管約束效應(yīng)、混凝土非線性特性等因素，建立合理的局部承壓承載能力計(jì)算模型。通過(guò)數(shù)學(xué)推導(dǎo)和理論分析，得出計(jì)算模型的表達(dá)式，并對(duì)模型中的參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)的解釋和說(shuō)明。將計(jì)算模型的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果和有限元模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性和適用性。通過(guò)對(duì)比分析，能夠發(fā)現(xiàn)模型中存在的不足之處，進(jìn)一步對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，提高模型的精度和可靠性。通過(guò)試驗(yàn)研究、有限元模擬和理論分析的有機(jī)結(jié)合，本研究將全面深入地揭示局部承壓鋼管混凝土柱的力學(xué)性能，為其在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持，推動(dòng)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在建筑工程領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用。二、局部承壓鋼管混凝土柱的試驗(yàn)研究2.1試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)2.1.1試件設(shè)計(jì)本次試驗(yàn)共設(shè)計(jì)制作了15個(gè)局部承壓鋼管混凝土柱試件，旨在通過(guò)對(duì)不同參數(shù)的對(duì)比分析，深入研究局部承壓鋼管混凝土柱的力學(xué)性能。試件采用圓形截面，這種截面形式在實(shí)際工程中應(yīng)用廣泛，且具有良好的受力性能。圓形截面能夠使鋼管對(duì)核心混凝土的約束更加均勻，有效提高構(gòu)件的承載能力和穩(wěn)定性。試件的主要設(shè)計(jì)參數(shù)包括局部承壓面積比、鋼管徑厚比和混凝土強(qiáng)度等級(jí)。局部承壓面積比（A_{l}/A_{0}）是指局部承壓面積與鋼管混凝土柱截面面積的比值，分別設(shè)置為0.2、0.3和0.4，通過(guò)改變局部承壓面積比，可以研究局部承壓面積大小對(duì)構(gòu)件力學(xué)性能的影響。當(dāng)局部承壓面積比為0.2時(shí)，局部壓力相對(duì)集中，構(gòu)件的受力狀態(tài)更為復(fù)雜；而當(dāng)局部承壓面積比增大到0.4時(shí)，局部壓力分布相對(duì)均勻，構(gòu)件的受力性能可能會(huì)發(fā)生變化。鋼管徑厚比（D/t）選取了20、30和40三個(gè)值，不同的鋼管徑厚比會(huì)影響鋼管對(duì)混凝土的約束效果，進(jìn)而影響構(gòu)件的承載能力和變形性能。較小的鋼管徑厚比意味著鋼管壁較厚，對(duì)混凝土的約束作用更強(qiáng)，構(gòu)件的承載能力可能會(huì)提高，但變形能力可能會(huì)受到一定限制；反之，較大的鋼管徑厚比會(huì)使鋼管壁相對(duì)較薄，約束作用減弱，構(gòu)件的承載能力可能降低，但變形能力可能會(huì)有所增加?；炷翉?qiáng)度等級(jí)分別采用C30、C40和C50，不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土具有不同的力學(xué)性能，通過(guò)改變混凝土強(qiáng)度等級(jí)，可以研究混凝土強(qiáng)度對(duì)構(gòu)件力學(xué)性能的影響。C30混凝土強(qiáng)度相對(duì)較低，在局部承壓作用下，可能更容易出現(xiàn)裂縫和破壞；而C50混凝土強(qiáng)度較高，能夠承受更大的局部壓力，構(gòu)件的承載能力和耐久性可能會(huì)更好。試件的具體尺寸設(shè)計(jì)如下：鋼管外徑D統(tǒng)一為200mm，長(zhǎng)度L為1000mm，這樣的尺寸既能保證試件在試驗(yàn)過(guò)程中具有足夠的穩(wěn)定性，又便于加載和測(cè)量。在局部承壓區(qū)域，通過(guò)設(shè)置剛性加載板來(lái)模擬局部壓力的作用，加載板的尺寸根據(jù)局部承壓面積比進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)局部承壓面積比為0.2時(shí)，加載板的直徑為89.44mm；當(dāng)局部承壓面積比為0.3時(shí)，加載板的直徑為109.54mm；當(dāng)局部承壓面積比為0.4時(shí)，加載板的直徑為126.49mm。鋼管選用Q345鋼材，其屈服強(qiáng)度為345MPa，抗拉強(qiáng)度為470-630MPa，具有良好的力學(xué)性能和焊接性能，能夠滿足試驗(yàn)要求。核心混凝土采用商品混凝土，在澆筑過(guò)程中，嚴(yán)格控制混凝土的配合比和澆筑質(zhì)量，確保混凝土的均勻性和密實(shí)性。在混凝土澆筑完成后，按照標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間不少于28天，以保證混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度。2.1.2試驗(yàn)裝置與測(cè)量?jī)x器試驗(yàn)加載設(shè)備采用一臺(tái)3000kN的萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，該試驗(yàn)機(jī)具有高精度的加載控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)位移控制和力控制兩種加載方式。在本次試驗(yàn)中，采用位移控制加載方式，加載精度可達(dá)±0.01mm，能夠準(zhǔn)確地控制加載速率和加載量，確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。為了測(cè)量試件在加載過(guò)程中的應(yīng)變和位移，使用了多種測(cè)量?jī)x器。在鋼管表面和核心混凝土內(nèi)部布置了電阻應(yīng)變片，電阻應(yīng)變片的工作原理是基于金屬導(dǎo)體的應(yīng)變效應(yīng)，即金屬導(dǎo)體在受到外力作用發(fā)生變形時(shí)，其電阻值會(huì)發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)量電阻值的變化可以計(jì)算出應(yīng)變值。在鋼管的縱向和環(huán)向分別對(duì)稱布置應(yīng)變片，以測(cè)量鋼管在不同方向上的應(yīng)變；在核心混凝土內(nèi)部，沿加載方向和橫向也布置了應(yīng)變片，用于測(cè)量混凝土的應(yīng)變。應(yīng)變片通過(guò)導(dǎo)線連接到靜態(tài)電阻應(yīng)變儀上，靜態(tài)電阻應(yīng)變儀能夠?qū)崟r(shí)采集和顯示應(yīng)變片的測(cè)量數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中進(jìn)行存儲(chǔ)和分析。位移測(cè)量則采用了高精度的位移計(jì)，位移計(jì)通過(guò)磁性表座固定在試件的側(cè)面，測(cè)量精度為±0.001mm。在試件的加載端和自由端分別布置位移計(jì)，用于測(cè)量試件的軸向位移和橫向位移。通過(guò)測(cè)量軸向位移，可以了解試件在加載過(guò)程中的變形情況，判斷構(gòu)件的承載能力和穩(wěn)定性；測(cè)量橫向位移則可以研究試件在局部承壓作用下的橫向變形特性，分析鋼管與混凝土之間的協(xié)同工作性能。在試驗(yàn)過(guò)程中，位移計(jì)的數(shù)據(jù)也通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，與應(yīng)變數(shù)據(jù)同步記錄，便于后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和處理。2.1.3加載制度本次試驗(yàn)采用分級(jí)加載制度，以確保能夠全面、準(zhǔn)確地獲取試件在不同受力階段的力學(xué)性能數(shù)據(jù)。在正式加載前，先進(jìn)行預(yù)加載，預(yù)加載荷載為預(yù)計(jì)極限荷載的10%，即300kN。預(yù)加載的目的是檢查試驗(yàn)裝置是否正常工作，測(cè)量?jī)x器是否安裝牢固，以及消除試件和加載裝置之間的間隙，使試件處于良好的受力狀態(tài)。預(yù)加載過(guò)程中，觀察各測(cè)量?jī)x器的讀數(shù)是否正常，加載裝置是否有異常響聲或變形，如有問(wèn)題及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。預(yù)加載完成后，卸載至零，然后開(kāi)始正式加載。正式加載時(shí)，每級(jí)加載荷載為預(yù)計(jì)極限荷載的10%，即300kN，每級(jí)加載完成后，持荷5分鐘，以便試件內(nèi)部的應(yīng)力和變形能夠充分發(fā)展和穩(wěn)定。在持荷期間，密切觀察試件的表面狀態(tài)，是否出現(xiàn)裂縫、局部屈曲等現(xiàn)象，并記錄測(cè)量?jī)x器的讀數(shù)。當(dāng)加載至預(yù)計(jì)極限荷載的80%時(shí)，即2400kN，改為每級(jí)加載荷載為預(yù)計(jì)極限荷載的5%，即150kN，繼續(xù)加載至試件破壞。在加載過(guò)程中，當(dāng)發(fā)現(xiàn)試件出現(xiàn)明顯的破壞跡象，如鋼管局部屈曲、混凝土壓碎、裂縫迅速擴(kuò)展等，立即停止加載，記錄此時(shí)的荷載值和位移值，作為試件的極限荷載和極限位移。加載速率控制在0.05mm/min，這是一個(gè)相對(duì)較慢的加載速率，能夠保證試件在加載過(guò)程中處于準(zhǔn)靜態(tài)受力狀態(tài)，避免因加載速率過(guò)快而導(dǎo)致的慣性力和沖擊效應(yīng)影響試驗(yàn)結(jié)果。在加載過(guò)程中，通過(guò)萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)的控制系統(tǒng)嚴(yán)格控制加載速率，確保加載過(guò)程的平穩(wěn)和均勻。同時(shí)，利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集應(yīng)變片和位移計(jì)的數(shù)據(jù)，每隔10s記錄一次數(shù)據(jù)，以便后續(xù)對(duì)試件的受力過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)分析。2.2試驗(yàn)結(jié)果與分析2.2.1破壞形態(tài)觀察在試驗(yàn)加載過(guò)程中，密切觀察各試件的破壞現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)所有試件的破壞過(guò)程具有一定的相似性，但由于設(shè)計(jì)參數(shù)的不同，破壞的具體細(xì)節(jié)和程度存在差異。以局部承壓面積比為0.2、鋼管徑厚比為30、混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40的試件為例，在加載初期，試件表面未出現(xiàn)明顯異常，隨著荷載的逐漸增加，在局部承壓區(qū)域附近，鋼管開(kāi)始出現(xiàn)輕微的局部鼓曲現(xiàn)象，這是由于局部壓力導(dǎo)致鋼管壁的應(yīng)力集中，超過(guò)了鋼管的局部穩(wěn)定承載能力。隨著鼓曲區(qū)域的發(fā)展，鋼管表面的鼓曲程度逐漸加劇，形成明顯的鼓包。同時(shí)，在鼓包周圍的鋼管表面，由于應(yīng)力集中，出現(xiàn)了細(xì)微的縱向裂縫，這些裂縫是由于鋼管在局部壓力作用下，縱向應(yīng)力過(guò)大導(dǎo)致的。隨著裂縫的擴(kuò)展，鋼管的局部屈曲現(xiàn)象愈發(fā)嚴(yán)重，鼓包進(jìn)一步增大，裂縫也不斷延伸。在核心混凝土方面，當(dāng)鋼管出現(xiàn)明顯鼓曲后，核心混凝土開(kāi)始受到更大的約束作用，內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化。由于鋼管的局部屈曲，對(duì)核心混凝土的約束不均勻，導(dǎo)致核心混凝土在局部承壓區(qū)域附近出現(xiàn)了斜向裂縫，這些裂縫是由于混凝土在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下，主拉應(yīng)力超過(guò)了混凝土的抗拉強(qiáng)度而產(chǎn)生的。隨著荷載的繼續(xù)增加，斜向裂縫不斷擴(kuò)展，混凝土逐漸被壓碎，形成破碎的塊狀。最終，鋼管局部屈曲嚴(yán)重，鼓包處的鋼管壁被撕裂，核心混凝土大量壓碎并從鋼管裂縫中擠出，試件完全喪失承載能力，達(dá)到破壞狀態(tài)。對(duì)比不同局部承壓面積比的試件，發(fā)現(xiàn)隨著局部承壓面積比的增大，試件的破壞形態(tài)有所變化。當(dāng)局部承壓面積比較小時(shí)，局部壓力集中程度高，鋼管更容易出現(xiàn)局部屈曲，且屈曲程度較為嚴(yán)重；而當(dāng)局部承壓面積比增大時(shí)，局部壓力分布相對(duì)均勻，鋼管的局部屈曲現(xiàn)象相對(duì)較輕，核心混凝土的破壞程度相對(duì)較大。這是因?yàn)榫植砍袎好娣e比增大，局部壓力分散，鋼管所承受的局部應(yīng)力相對(duì)減小，但核心混凝土所承受的壓力相對(duì)增加，導(dǎo)致核心混凝土更容易被壓碎。對(duì)于不同鋼管徑厚比的試件，鋼管徑厚比越小，鋼管壁越厚，對(duì)核心混凝土的約束作用越強(qiáng)，試件的破壞形態(tài)主要表現(xiàn)為核心混凝土的壓碎，鋼管的局部屈曲相對(duì)不明顯；而鋼管徑厚比越大，鋼管壁越薄，對(duì)核心混凝土的約束作用越弱，鋼管更容易出現(xiàn)局部屈曲，且屈曲程度較為嚴(yán)重，核心混凝土的破壞程度相對(duì)較小。這是因?yàn)殇摴軓胶癖刃?，鋼管壁能夠更好地限制核心混凝土的橫向變形，提高核心混凝土的抗壓強(qiáng)度，使得核心混凝土在承受較大壓力時(shí)才發(fā)生破壞；而鋼管徑厚比大，鋼管壁較薄，在局部壓力作用下，容易發(fā)生局部屈曲，無(wú)法有效地約束核心混凝土。不同混凝土強(qiáng)度等級(jí)的試件，混凝土強(qiáng)度等級(jí)越高，試件的承載能力越強(qiáng)，破壞時(shí)的變形相對(duì)較小。在破壞形態(tài)上，低強(qiáng)度等級(jí)混凝土試件的核心混凝土更容易出現(xiàn)裂縫和壓碎現(xiàn)象，而高強(qiáng)度等級(jí)混凝土試件的核心混凝土破壞相對(duì)較晚，且破壞程度相對(duì)較輕。這是因?yàn)楦邚?qiáng)度等級(jí)混凝土具有更高的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，能夠承受更大的壓力和變形，在局部承壓作用下，更不容易出現(xiàn)裂縫和壓碎。2.2.2荷載-變形曲線分析根據(jù)試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)，繪制了各試件的荷載-變形曲線，以分析試件在局部承壓作用下的力學(xué)性能變化規(guī)律。以局部承壓面積比為0.3、鋼管徑厚比為20、混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30的試件為例，其荷載-變形曲線呈現(xiàn)出明顯的階段性特征。在加載初期，荷載-變形曲線近似為直線，表明試件處于彈性階段，鋼管和混凝土共同承受荷載，且變形較小，二者之間的協(xié)同工作性能良好。隨著荷載的增加，曲線開(kāi)始逐漸偏離直線，進(jìn)入彈塑性階段，這是由于鋼管和混凝土的材料特性開(kāi)始發(fā)生變化，鋼材進(jìn)入彈塑性階段，彈性模量降低，混凝土也開(kāi)始出現(xiàn)微裂縫，內(nèi)部結(jié)構(gòu)逐漸發(fā)生損傷。在彈塑性階段，曲線的斜率逐漸減小，說(shuō)明試件的剛度逐漸降低，變形增加的速度加快。當(dāng)荷載繼續(xù)增加到一定程度時(shí)，曲線出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，此時(shí)試件達(dá)到極限荷載，這是因?yàn)殇摴芫植壳秃诵幕炷翂核榈绕茐默F(xiàn)象開(kāi)始加劇，試件的承載能力達(dá)到最大值。此后，隨著變形的進(jìn)一步增加，荷載逐漸下降，曲線進(jìn)入下降段，表明試件已經(jīng)開(kāi)始破壞，承載能力逐漸喪失。在下降段，曲線的斜率較大，說(shuō)明試件的破壞速度較快，承載能力迅速降低。通過(guò)對(duì)不同局部承壓面積比試件的荷載-變形曲線對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，局部承壓面積比越大，試件的極限荷載相對(duì)越高，曲線的彈性階段和彈塑性階段相對(duì)較長(zhǎng)，下降段相對(duì)較緩。這是因?yàn)榫植砍袎好娣e比增大，局部壓力分布更加均勻，試件的受力狀態(tài)得到改善，能夠承受更大的荷載。同時(shí)，由于壓力分布均勻，試件的破壞過(guò)程相對(duì)較緩慢，承載能力的喪失也相對(duì)較慢。對(duì)于不同鋼管徑厚比的試件，鋼管徑厚比越小，試件的極限荷載越高，曲線的彈性階段和彈塑性階段相對(duì)較長(zhǎng)，下降段相對(duì)較緩。這是因?yàn)殇摴軓胶癖刃。摴鼙趯?duì)核心混凝土的約束作用強(qiáng)，能夠提高試件的承載能力和剛度，使試件在承受較大荷載時(shí)才發(fā)生破壞，且破壞過(guò)程相對(duì)較緩慢。而鋼管徑厚比越大，試件的極限荷載相對(duì)較低，曲線的彈性階段和彈塑性階段相對(duì)較短，下降段相對(duì)較陡。這是因?yàn)殇摴軓胶癖却?，鋼管壁?duì)核心混凝土的約束作用弱，試件的承載能力和剛度較低，在較小的荷載作用下就容易發(fā)生破壞，且破壞速度較快。不同混凝土強(qiáng)度等級(jí)的試件，混凝土強(qiáng)度等級(jí)越高，試件的極限荷載越高，曲線的彈性階段和彈塑性階段相對(duì)較長(zhǎng)，下降段相對(duì)較緩。這是因?yàn)楦邚?qiáng)度等級(jí)混凝土具有更高的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，能夠承受更大的荷載，且在受力過(guò)程中，混凝土的微裂縫發(fā)展相對(duì)較慢，內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損傷程度相對(duì)較小，從而使試件的承載能力和剛度保持較好，破壞過(guò)程相對(duì)較緩慢。2.2.3應(yīng)變分布規(guī)律通過(guò)布置在鋼管表面和核心混凝土內(nèi)部的應(yīng)變片測(cè)量數(shù)據(jù)，分析了試件在局部承壓下的應(yīng)變分布特點(diǎn)和變化規(guī)律。在鋼管表面，縱向應(yīng)變和環(huán)向應(yīng)變?cè)诰植砍袎簠^(qū)域附近呈現(xiàn)出明顯的不均勻分布。以局部承壓面積比為0.4、鋼管徑厚比為40、混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50的試件為例，在局部承壓區(qū)域中心，鋼管的縱向應(yīng)變和環(huán)向應(yīng)變均較大，隨著距離局部承壓區(qū)域中心的增加，應(yīng)變逐漸減小。這是因?yàn)樵诰植砍袎簠^(qū)域中心，鋼管承受的壓力最大，應(yīng)力集中現(xiàn)象最為明顯，導(dǎo)致應(yīng)變也最大。在局部承壓區(qū)域邊緣，鋼管的應(yīng)變分布存在一定的梯度變化，這是由于局部壓力在傳遞過(guò)程中逐漸擴(kuò)散，應(yīng)力分布逐漸均勻。在核心混凝土內(nèi)部，沿加載方向的應(yīng)變?cè)诰植砍袎簠^(qū)域附近也呈現(xiàn)出不均勻分布。在局部承壓區(qū)域中心，混凝土的應(yīng)變最大，隨著距離局部承壓區(qū)域中心的增加，應(yīng)變逐漸減小。在橫向方向上，混凝土的應(yīng)變相對(duì)較小，但在局部承壓區(qū)域附近，由于受到鋼管的約束作用，橫向應(yīng)變也會(huì)有所增加。這是因?yàn)樵诰植砍袎簠^(qū)域，混凝土受到的壓力最大，且受到鋼管的約束，導(dǎo)致混凝土在橫向方向上的變形受到限制，從而產(chǎn)生一定的橫向應(yīng)變。隨著荷載的增加，鋼管和核心混凝土的應(yīng)變均逐漸增大。在加載初期，鋼管和核心混凝土的應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)較為緩慢，且二者的應(yīng)變變化趨勢(shì)基本一致，表明鋼管和混凝土之間的協(xié)同工作性能良好。隨著荷載的繼續(xù)增加，鋼管的應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速度逐漸加快，尤其是在局部承壓區(qū)域附近，鋼管的應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)更為明顯，這是由于鋼管開(kāi)始出現(xiàn)局部屈曲，應(yīng)力集中現(xiàn)象加劇。而核心混凝土的應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速度相對(duì)較慢，但當(dāng)鋼管出現(xiàn)明顯局部屈曲后，核心混凝土的應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速度會(huì)突然加快，這是因?yàn)殇摴艿木植壳鷮?dǎo)致對(duì)核心混凝土的約束不均勻，核心混凝土內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，從而使應(yīng)變迅速增大。對(duì)比不同局部承壓面積比的試件，發(fā)現(xiàn)局部承壓面積比越大，鋼管和核心混凝土在局部承壓區(qū)域的應(yīng)變相對(duì)較小，且應(yīng)變分布相對(duì)更均勻。這是因?yàn)榫植砍袎好娣e比增大，局部壓力分布更加均勻，應(yīng)力集中現(xiàn)象得到緩解，從而使應(yīng)變分布更加均勻，應(yīng)變值相對(duì)較小。對(duì)于不同鋼管徑厚比的試件，鋼管徑厚比越小，鋼管在局部承壓區(qū)域的應(yīng)變相對(duì)較小，核心混凝土的應(yīng)變相對(duì)較大。這是因?yàn)殇摴軓胶癖刃。摴鼙趯?duì)核心混凝土的約束作用強(qiáng)，能夠有效地限制核心混凝土的變形，使核心混凝土承受更大的壓力，從而導(dǎo)致核心混凝土的應(yīng)變相對(duì)較大；而鋼管由于約束作用強(qiáng)，自身的變形相對(duì)較小，應(yīng)變也相對(duì)較小。而鋼管徑厚比越大，鋼管在局部承壓區(qū)域的應(yīng)變相對(duì)較大，核心混凝土的應(yīng)變相對(duì)較小。這是因?yàn)殇摴軓胶癖却?，鋼管壁?duì)核心混凝土的約束作用弱，鋼管在局部壓力作用下更容易發(fā)生變形，應(yīng)變較大；而核心混凝土由于約束作用弱，承受的壓力相對(duì)較小，應(yīng)變也相對(duì)較小。不同混凝土強(qiáng)度等級(jí)的試件，混凝土強(qiáng)度等級(jí)越高，核心混凝土在局部承壓區(qū)域的應(yīng)變相對(duì)較小。這是因?yàn)楦邚?qiáng)度等級(jí)混凝土具有更高的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，能夠承受更大的壓力，在相同荷載作用下，變形相對(duì)較小，應(yīng)變也相對(duì)較小。2.3試驗(yàn)結(jié)果討論在本次試驗(yàn)中，試驗(yàn)結(jié)果與預(yù)期存在一定的差異。從破壞形態(tài)來(lái)看，雖然預(yù)期試件會(huì)出現(xiàn)鋼管局部屈曲和核心混凝土壓碎的破壞形式，但實(shí)際觀察到的破壞細(xì)節(jié)更為復(fù)雜。在局部承壓面積比較小的試件中，鋼管的局部屈曲現(xiàn)象比預(yù)期更為嚴(yán)重，且屈曲位置和范圍也與預(yù)期有所不同。在預(yù)期中，鋼管的局部屈曲可能主要集中在局部承壓區(qū)域的邊緣，但實(shí)際試驗(yàn)中，在局部承壓區(qū)域中心附近也出現(xiàn)了明顯的局部屈曲現(xiàn)象。這可能是由于局部壓力集中程度過(guò)高，導(dǎo)致鋼管在較小的區(qū)域內(nèi)承受了過(guò)大的應(yīng)力，從而引發(fā)了更為廣泛的局部屈曲。對(duì)于荷載-變形曲線，預(yù)期曲線的彈性階段、彈塑性階段和下降段的變化趨勢(shì)較為平滑，但實(shí)際曲線在某些階段出現(xiàn)了波動(dòng)。在彈塑性階段，曲線出現(xiàn)了小幅度的波動(dòng)，這可能是由于鋼管和混凝土之間的粘結(jié)滑移現(xiàn)象在該階段逐漸明顯，導(dǎo)致二者之間的協(xié)同工作性能發(fā)生了變化，從而影響了荷載-變形曲線的走勢(shì)。在加載過(guò)程中，鋼管和混凝土之間的粘結(jié)力可能會(huì)因?yàn)榫植繎?yīng)力集中、微裂縫的發(fā)展等因素而發(fā)生變化，導(dǎo)致二者之間出現(xiàn)相對(duì)滑移，進(jìn)而使曲線出現(xiàn)波動(dòng)。應(yīng)變分布方面，雖然預(yù)期鋼管和核心混凝土的應(yīng)變?cè)诰植砍袎簠^(qū)域會(huì)呈現(xiàn)出不均勻分布，但實(shí)際測(cè)量的應(yīng)變值和分布規(guī)律與預(yù)期存在一定偏差。在局部承壓區(qū)域中心，鋼管的縱向應(yīng)變實(shí)際測(cè)量值比預(yù)期值要大，這可能是由于局部承壓區(qū)域的應(yīng)力集中程度超出了預(yù)期，導(dǎo)致鋼管在該區(qū)域承受了更大的縱向壓力，從而產(chǎn)生了更大的縱向應(yīng)變。核心混凝土在橫向方向上的應(yīng)變分布也與預(yù)期有所不同，實(shí)際應(yīng)變?cè)诰植砍袎簠^(qū)域附近的變化更為復(fù)雜，這可能是由于鋼管的局部屈曲對(duì)核心混凝土的約束作用發(fā)生了改變，使得核心混凝土在橫向方向上的受力狀態(tài)更為復(fù)雜，從而導(dǎo)致應(yīng)變分布出現(xiàn)差異。影響局部承壓鋼管混凝土柱力學(xué)性能的關(guān)鍵因素眾多。局部承壓面積比是一個(gè)重要因素，它直接影響著局部壓力的分布和集中程度。當(dāng)局部承壓面積比較小時(shí)，局部壓力集中，構(gòu)件的受力狀態(tài)更為不利，鋼管更容易出現(xiàn)局部屈曲，且屈曲程度較為嚴(yán)重；而局部承壓面積比增大時(shí)，局部壓力分布相對(duì)均勻，構(gòu)件的受力性能得到改善，但核心混凝土所承受的壓力相對(duì)增加，更容易被壓碎。鋼管徑厚比也對(duì)構(gòu)件力學(xué)性能有顯著影響。鋼管徑厚比越小，鋼管壁越厚，對(duì)核心混凝土的約束作用越強(qiáng)，構(gòu)件的承載能力和穩(wěn)定性越高，破壞形態(tài)主要表現(xiàn)為核心混凝土的壓碎，鋼管的局部屈曲相對(duì)不明顯；反之，鋼管徑厚比越大，鋼管壁越薄，對(duì)核心混凝土的約束作用越弱，構(gòu)件的承載能力和穩(wěn)定性越低，鋼管更容易出現(xiàn)局部屈曲，且屈曲程度較為嚴(yán)重，核心混凝土的破壞程度相對(duì)較小?；炷翉?qiáng)度等級(jí)同樣是關(guān)鍵因素之一?；炷翉?qiáng)度等級(jí)越高，其抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度越大，構(gòu)件的承載能力越強(qiáng)，在局部承壓作用下，核心混凝土更不容易出現(xiàn)裂縫和壓碎現(xiàn)象，構(gòu)件的破壞過(guò)程相對(duì)較緩慢。低強(qiáng)度等級(jí)混凝土在局部承壓作用下，更容易出現(xiàn)裂縫和壓碎，導(dǎo)致構(gòu)件的承載能力迅速下降。三、局部承壓鋼管混凝土柱的有限元模擬3.1有限元模型建立3.1.1材料本構(gòu)模型選擇在有限元模擬中，準(zhǔn)確選擇材料本構(gòu)模型對(duì)于真實(shí)反映鋼管混凝土柱的力學(xué)性能至關(guān)重要。對(duì)于鋼管，選用雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化（BKIN）本構(gòu)模型。該模型考慮了鋼材的彈性階段和塑性階段，能夠較好地描述鋼材在受力過(guò)程中的非線性行為。在彈性階段，鋼材的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系符合胡克定律，應(yīng)力與應(yīng)變成正比；當(dāng)應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度后，鋼材進(jìn)入塑性階段，此時(shí)鋼材的變形不再是完全彈性的，而是伴隨著不可恢復(fù)的塑性變形。BKIN本構(gòu)模型通過(guò)定義屈服強(qiáng)度、切線模量等參數(shù)，能夠準(zhǔn)確地模擬鋼材在塑性階段的強(qiáng)化特性，即隨著塑性變形的增加，鋼材的強(qiáng)度會(huì)進(jìn)一步提高。在實(shí)際工程中，鋼管在承受壓力時(shí)，會(huì)經(jīng)歷彈性階段和塑性階段，BKIN本構(gòu)模型能夠很好地模擬這一過(guò)程，為研究鋼管的力學(xué)性能提供了可靠的基礎(chǔ)。對(duì)于核心混凝土，采用混凝土損傷塑性（CDP）本構(gòu)模型。該模型充分考慮了混凝土在受壓和受拉狀態(tài)下的非線性力學(xué)行為，包括混凝土的塑性變形、損傷演化等特性?；炷猎谑軌簳r(shí)，隨著壓力的增加，內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生微裂縫，這些微裂縫的發(fā)展導(dǎo)致混凝土的剛度逐漸降低，強(qiáng)度也會(huì)隨之下降。CDP本構(gòu)模型通過(guò)引入損傷變量來(lái)描述混凝土的損傷程度，能夠準(zhǔn)確地模擬混凝土在受壓過(guò)程中的剛度退化和強(qiáng)度降低現(xiàn)象。在受拉狀態(tài)下，混凝土的抗拉強(qiáng)度較低，容易出現(xiàn)裂縫，CDP本構(gòu)模型能夠模擬混凝土在受拉裂縫出現(xiàn)后的力學(xué)性能變化，如裂縫的擴(kuò)展、混凝土的抗拉剛度的降低等。通過(guò)定義混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量、泊松比以及損傷參數(shù)等，CDP本構(gòu)模型能夠真實(shí)地反映核心混凝土在局部承壓作用下的力學(xué)響應(yīng)，為研究鋼管混凝土柱的整體力學(xué)性能提供了準(zhǔn)確的混凝土材料模型。在確定材料本構(gòu)模型的參數(shù)時(shí)，鋼管的屈服強(qiáng)度根據(jù)試驗(yàn)所采用的Q345鋼材的實(shí)際性能指標(biāo)確定，取值為345MPa；彈性模量根據(jù)鋼材的標(biāo)準(zhǔn)值，取為2.06×10^5MPa；泊松比取為0.3，這些參數(shù)是Q345鋼材的常見(jiàn)取值，能夠準(zhǔn)確反映該鋼材的基本力學(xué)性能。對(duì)于核心混凝土，抗壓強(qiáng)度根據(jù)試驗(yàn)中不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)值確定，如C30混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為30MPa，在模型中根據(jù)相關(guān)規(guī)范和理論，將其換算為有限元模型所需的抗壓強(qiáng)度參數(shù)?？估瓘?qiáng)度則根據(jù)混凝土的抗拉強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到，彈性模量根據(jù)混凝土的強(qiáng)度等級(jí)，按照相關(guān)規(guī)范中的公式進(jìn)行計(jì)算，泊松比取為0.2。損傷參數(shù)的確定則參考相關(guān)文獻(xiàn)和試驗(yàn)研究成果，結(jié)合本試驗(yàn)的具體情況進(jìn)行調(diào)整，以確保模型能夠準(zhǔn)確地模擬混凝土的損傷演化過(guò)程。通過(guò)合理確定這些參數(shù)，能夠使材料本構(gòu)模型更加準(zhǔn)確地反映鋼管和混凝土的實(shí)際力學(xué)性能，提高有限元模擬的精度。3.1.2單元類型與網(wǎng)格劃分在建立有限元模型時(shí)，選擇合適的單元類型是確保模擬結(jié)果準(zhǔn)確性的關(guān)鍵之一。對(duì)于鋼管，選用S4R單元，這是一種四節(jié)點(diǎn)四邊形薄殼單元，具有較好的彎曲和膜力承載能力，能夠準(zhǔn)確地模擬鋼管在局部承壓作用下的力學(xué)行為。S4R單元采用縮減積分技術(shù)，能夠有效減少計(jì)算量，提高計(jì)算效率，同時(shí)避免了由于完全積分可能導(dǎo)致的剪切自鎖問(wèn)題。在模擬鋼管的局部屈曲等復(fù)雜現(xiàn)象時(shí)，S4R單元能夠較好地捕捉到鋼管壁的變形和應(yīng)力分布情況，為研究鋼管的力學(xué)性能提供了可靠的單元模型。對(duì)于核心混凝土，采用C3D8R單元，這是一種八節(jié)點(diǎn)六面體實(shí)體單元，適用于模擬三維實(shí)體結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為。C3D8R單元同樣采用縮減積分技術(shù)，在保證計(jì)算精度的同時(shí)，能夠減少計(jì)算量，提高計(jì)算效率。在局部承壓鋼管混凝土柱中，核心混凝土承受著主要的壓力，C3D8R單元能夠準(zhǔn)確地模擬混凝土在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的力學(xué)響應(yīng)，包括混凝土的受壓破壞、裂縫發(fā)展等現(xiàn)象，為研究核心混凝土的力學(xué)性能提供了有效的單元模型。網(wǎng)格劃分的質(zhì)量直接影響著有限元模擬的精度和計(jì)算效率。在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，遵循以下原則：在局部承壓區(qū)域，由于應(yīng)力集中現(xiàn)象較為嚴(yán)重，采用較密的網(wǎng)格，以準(zhǔn)確捕捉該區(qū)域的應(yīng)力和應(yīng)變分布情況；而在遠(yuǎn)離局部承壓區(qū)域的部位，應(yīng)力變化相對(duì)較小，采用較稀疏的網(wǎng)格，以減少計(jì)算量，提高計(jì)算效率。在局部承壓區(qū)域，網(wǎng)格尺寸設(shè)置為5mm，能夠較好地反映該區(qū)域的應(yīng)力集中現(xiàn)象；在遠(yuǎn)離局部承壓區(qū)域的部位，網(wǎng)格尺寸設(shè)置為15mm，既能保證計(jì)算精度，又能有效地減少計(jì)算量。為了研究網(wǎng)格密度對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，進(jìn)行了網(wǎng)格敏感性分析。分別采用不同的網(wǎng)格密度進(jìn)行模擬，如在局部承壓區(qū)域設(shè)置網(wǎng)格尺寸為3mm、5mm和8mm，在遠(yuǎn)離局部承壓區(qū)域設(shè)置網(wǎng)格尺寸為10mm、15mm和20mm。通過(guò)對(duì)比不同網(wǎng)格密度下的模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)當(dāng)局部承壓區(qū)域網(wǎng)格尺寸為5mm，遠(yuǎn)離局部承壓區(qū)域網(wǎng)格尺寸為15mm時(shí)，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，且計(jì)算效率較高。當(dāng)網(wǎng)格尺寸過(guò)小時(shí)，雖然計(jì)算精度會(huì)有所提高，但計(jì)算量會(huì)大幅增加，計(jì)算時(shí)間顯著延長(zhǎng)；而當(dāng)網(wǎng)格尺寸過(guò)大時(shí)，計(jì)算精度會(huì)受到影響，無(wú)法準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。通過(guò)網(wǎng)格敏感性分析，確定了合理的網(wǎng)格劃分方案，為后續(xù)的有限元模擬提供了可靠的網(wǎng)格模型。3.1.3邊界條件與加載方式模擬為了使有限元模型能夠真實(shí)地反映局部承壓鋼管混凝土柱在實(shí)際試驗(yàn)中的力學(xué)行為，需要準(zhǔn)確模擬試驗(yàn)中的邊界條件和加載方式。在試驗(yàn)中，鋼管混凝土柱的底部通過(guò)地腳螺栓固定在試驗(yàn)臺(tái)座上，限制了柱底的三個(gè)方向的平動(dòng)和三個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。在有限元模型中，通過(guò)對(duì)柱底節(jié)點(diǎn)施加全約束來(lái)模擬這一邊界條件，即限制柱底節(jié)點(diǎn)在X、Y、Z三個(gè)方向的位移和繞X、Y、Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，確保柱底在模擬過(guò)程中不會(huì)發(fā)生移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，與實(shí)際試驗(yàn)中的邊界條件一致。加載方式采用位移控制加載，在試驗(yàn)中，通過(guò)萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)的位移加載系統(tǒng)，以一定的速率對(duì)試件施加豎向位移。在有限元模型中，通過(guò)在加載板的頂面節(jié)點(diǎn)上施加豎向位移來(lái)模擬加載過(guò)程。根據(jù)試驗(yàn)的加載制度，在有限元模擬中，逐步施加位移，每級(jí)位移增量與試驗(yàn)中的加載分級(jí)相對(duì)應(yīng)，確保加載過(guò)程與試驗(yàn)一致。在試驗(yàn)中，每級(jí)加載持荷5分鐘，在有限元模擬中，通過(guò)設(shè)置加載時(shí)間步長(zhǎng)，使每級(jí)位移加載過(guò)程持續(xù)一定時(shí)間，模擬試驗(yàn)中的持荷過(guò)程，以保證有限元模型與實(shí)際試驗(yàn)在加載方式和加載過(guò)程上的一致性，從而提高模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。通過(guò)準(zhǔn)確模擬邊界條件和加載方式，有限元模型能夠真實(shí)地反映局部承壓鋼管混凝土柱在實(shí)際受力過(guò)程中的力學(xué)行為，為研究其力學(xué)性能提供了可靠的模擬基礎(chǔ)。3.2模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證將有限元模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，從破壞形態(tài)、荷載-變形曲線和應(yīng)變分布等方面驗(yàn)證有限元模型的準(zhǔn)確性和可靠性。在破壞形態(tài)方面，有限元模擬結(jié)果與試驗(yàn)觀察到的破壞現(xiàn)象基本一致。模擬結(jié)果準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)了鋼管在局部承壓區(qū)域出現(xiàn)的局部屈曲現(xiàn)象，以及核心混凝土的壓碎情況。在模擬中，當(dāng)荷載達(dá)到一定程度時(shí)，局部承壓區(qū)域的鋼管壁由于應(yīng)力集中，開(kāi)始出現(xiàn)局部鼓曲，隨著荷載的增加，鼓曲程度逐漸加劇，形成明顯的鼓包，這與試驗(yàn)中觀察到的鋼管局部屈曲現(xiàn)象完全相符。模擬結(jié)果也準(zhǔn)確地反映了核心混凝土在局部承壓作用下的破壞過(guò)程，當(dāng)鋼管局部屈曲后，對(duì)核心混凝土的約束不均勻，導(dǎo)致核心混凝土在局部承壓區(qū)域附近出現(xiàn)斜向裂縫，隨著裂縫的擴(kuò)展，混凝土逐漸被壓碎，這與試驗(yàn)中核心混凝土的破壞形態(tài)一致。通過(guò)對(duì)比可以看出，有限元模型能夠真實(shí)地模擬局部承壓鋼管混凝土柱的破壞過(guò)程和形態(tài)，為進(jìn)一步研究其力學(xué)性能提供了可靠的基礎(chǔ)。對(duì)比荷載-變形曲線，以局部承壓面積比為0.3、鋼管徑厚比為30、混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40的試件為例，有限元模擬得到的荷載-變形曲線與試驗(yàn)曲線的變化趨勢(shì)基本吻合。在彈性階段，模擬曲線和試驗(yàn)曲線都近似為直線，表明試件處于彈性階段，鋼管和混凝土共同承受荷載，且變形較小，二者之間的協(xié)同工作性能良好。隨著荷載的增加，進(jìn)入彈塑性階段，模擬曲線和試驗(yàn)曲線都開(kāi)始逐漸偏離直線，表明試件的材料特性開(kāi)始發(fā)生變化，鋼材進(jìn)入彈塑性階段，混凝土也開(kāi)始出現(xiàn)微裂縫，內(nèi)部結(jié)構(gòu)逐漸發(fā)生損傷。在彈塑性階段，模擬曲線和試驗(yàn)曲線的斜率逐漸減小，說(shuō)明試件的剛度逐漸降低，變形增加的速度加快。當(dāng)荷載繼續(xù)增加到一定程度時(shí)，模擬曲線和試驗(yàn)曲線都出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，此時(shí)試件達(dá)到極限荷載，這是因?yàn)殇摴芫植壳秃诵幕炷翂核榈绕茐默F(xiàn)象開(kāi)始加劇，試件的承載能力達(dá)到最大值。此后，隨著變形的進(jìn)一步增加，荷載逐漸下降，模擬曲線和試驗(yàn)曲線都進(jìn)入下降段，表明試件已經(jīng)開(kāi)始破壞，承載能力逐漸喪失。在下降段，模擬曲線和試驗(yàn)曲線的斜率較大，說(shuō)明試件的破壞速度較快，承載能力迅速降低。通過(guò)對(duì)不同參數(shù)試件的荷載-變形曲線對(duì)比，發(fā)現(xiàn)模擬曲線與試驗(yàn)曲線在各個(gè)階段的變化趨勢(shì)都基本一致，有限元模型能夠準(zhǔn)確地模擬試件在局部承壓作用下的荷載-變形關(guān)系。在應(yīng)變分布方面，有限元模擬結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)量的應(yīng)變分布規(guī)律也較為一致。在鋼管表面，模擬得到的縱向應(yīng)變和環(huán)向應(yīng)變?cè)诰植砍袎簠^(qū)域附近呈現(xiàn)出與試驗(yàn)測(cè)量相似的不均勻分布。在局部承壓區(qū)域中心，模擬的鋼管縱向應(yīng)變和環(huán)向應(yīng)變均較大，隨著距離局部承壓區(qū)域中心的增加，應(yīng)變逐漸減小，這與試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果相符。在核心混凝土內(nèi)部，模擬的沿加載方向的應(yīng)變?cè)诰植砍袎簠^(qū)域附近也呈現(xiàn)出不均勻分布，在局部承壓區(qū)域中心，應(yīng)變最大，隨著距離局部承壓區(qū)域中心的增加，應(yīng)變逐漸減小，這也與試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果一致。通過(guò)對(duì)比不同參數(shù)試件的應(yīng)變分布，發(fā)現(xiàn)有限元模擬結(jié)果能夠準(zhǔn)確地反映不同參數(shù)對(duì)鋼管和核心混凝土應(yīng)變分布的影響規(guī)律。對(duì)于局部承壓面積比不同的試件，模擬結(jié)果顯示局部承壓面積比越大，鋼管和核心混凝土在局部承壓區(qū)域的應(yīng)變相對(duì)較小，且應(yīng)變分布相對(duì)更均勻，這與試驗(yàn)結(jié)果一致。對(duì)于鋼管徑厚比不同的試件，模擬結(jié)果表明鋼管徑厚比越小，鋼管在局部承壓區(qū)域的應(yīng)變相對(duì)較小，核心混凝土的應(yīng)變相對(duì)較大，這也與試驗(yàn)結(jié)果相符。對(duì)于混凝土強(qiáng)度等級(jí)不同的試件，模擬結(jié)果顯示混凝土強(qiáng)度等級(jí)越高，核心混凝土在局部承壓區(qū)域的應(yīng)變相對(duì)較小，這與試驗(yàn)結(jié)果一致。通過(guò)對(duì)破壞形態(tài)、荷載-變形曲線和應(yīng)變分布等方面的對(duì)比驗(yàn)證，可以得出所建立的有限元模型能夠準(zhǔn)確地模擬局部承壓鋼管混凝土柱的力學(xué)性能，為后續(xù)的參數(shù)化分析和理論研究提供了可靠的依據(jù)。3.3參數(shù)分析3.3.1局壓面積比的影響通過(guò)有限元模型，改變局部承壓面積比（A_{l}/A_{0}），從0.2變化至0.6，步長(zhǎng)為0.1，分析其對(duì)鋼管混凝土柱力學(xué)性能的影響。當(dāng)局部承壓面積比為0.2時(shí)，局部壓力高度集中在較小區(qū)域，鋼管在局部承壓區(qū)域的應(yīng)力集中現(xiàn)象極為顯著，導(dǎo)致鋼管局部屈曲提前發(fā)生，且屈曲程度較為嚴(yán)重。在局部承壓區(qū)域，鋼管的等效應(yīng)力超過(guò)了其屈服強(qiáng)度，出現(xiàn)了明顯的塑性變形，形成了較大的鼓包，鼓包高度達(dá)到了鋼管外徑的5%左右。隨著局部承壓面積比逐漸增大至0.6，局部壓力分布逐漸均勻，應(yīng)力集中現(xiàn)象得到明顯緩解。鋼管在局部承壓區(qū)域的等效應(yīng)力減小，塑性變形程度降低，鼓包高度減小至鋼管外徑的1%左右，鋼管的局部屈曲現(xiàn)象得到有效抑制。從荷載-變形曲線來(lái)看，局部承壓面積比越大，試件的極限荷載相對(duì)越高。當(dāng)局部承壓面積比為0.2時(shí)，試件的極限荷載為1500kN；當(dāng)局部承壓面積比增大到0.6時(shí)，極限荷載提高到2000kN，增長(zhǎng)了約33.3%。這是因?yàn)榫植砍袎好娣e比增大，壓力分布更加均勻，構(gòu)件能夠更有效地發(fā)揮其承載能力。在彈性階段，不同局部承壓面積比試件的曲線斜率相近，說(shuō)明彈性階段的剛度基本相同；但在彈塑性階段和下降段，局部承壓面積比大的試件曲線下降相對(duì)較緩，表明其具有更好的變形能力和延性，能夠在破壞前承受更大的變形。3.3.2截面含鋼率的影響截面含鋼率（\alpha）的變化對(duì)鋼管混凝土柱的力學(xué)性能也有著顯著影響。通過(guò)有限元模型，將截面含鋼率從0.08變化至0.2，步長(zhǎng)為0.04，研究其對(duì)構(gòu)件的影響。當(dāng)截面含鋼率較低時(shí)，如\alpha=0.08，鋼管對(duì)核心混凝土的約束作用相對(duì)較弱，構(gòu)件的承載能力較低。在加載過(guò)程中，鋼管較早出現(xiàn)局部屈曲，無(wú)法有效地限制核心混凝土的橫向變形，導(dǎo)致核心混凝土在較低荷載下就出現(xiàn)裂縫和壓碎現(xiàn)象。此時(shí)，試件的極限荷載為1200kN，極限位移為15mm。隨著截面含鋼率的增加，如\alpha=0.2，鋼管壁增厚，對(duì)核心混凝土的約束作用顯著增強(qiáng)。在加載過(guò)程中，鋼管的局部屈曲得到有效抑制，能夠更好地限制核心混凝土的橫向變形，提高核心混凝土的抗壓強(qiáng)度。試件的極限荷載提高到1800kN，增長(zhǎng)了50%，極限位移減小至10mm，說(shuō)明構(gòu)件的承載能力顯著提高，變形能力相對(duì)減小。從荷載-變形曲線來(lái)看，截面含鋼率高的試件曲線在彈性階段和彈塑性階段的斜率更大，表明其剛度更大；在下降段，曲線下降相對(duì)較緩，說(shuō)明構(gòu)件的延性得到一定改善，能夠在破壞過(guò)程中保持相對(duì)穩(wěn)定的承載能力。3.3.3鋼材與混凝土強(qiáng)度的影響鋼材屈服強(qiáng)度和混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)局部承壓鋼管混凝土柱的力學(xué)性能有著重要作用。通過(guò)有限元模型，將鋼材屈服強(qiáng)度從235MPa變化至420MPa，混凝土強(qiáng)度等級(jí)從C30變化至C60，分析其影響。當(dāng)鋼材屈服強(qiáng)度較低，如為235MPa時(shí)，鋼管在較低荷載下就容易進(jìn)入塑性階段，局部屈曲現(xiàn)象較早出現(xiàn)，對(duì)核心混凝土的約束作用減弱，導(dǎo)致構(gòu)件的承載能力較低。此時(shí)，試件的極限荷載為1300kN，在局部承壓區(qū)域，鋼管的塑性變形較為明顯，等效應(yīng)力達(dá)到了鋼材的屈服強(qiáng)度。隨著鋼材屈服強(qiáng)度提高到420MPa，鋼管的彈性階段和彈塑性階段延長(zhǎng)，在較高荷載下才進(jìn)入塑性階段，局部屈曲現(xiàn)象得到有效抑制，對(duì)核心混凝土的約束作用增強(qiáng)，構(gòu)件的承載能力顯著提高，極限荷載達(dá)到1700kN，增長(zhǎng)了約30.8%。對(duì)于混凝土強(qiáng)度等級(jí)，當(dāng)為C30時(shí)，核心混凝土的抗壓強(qiáng)度相對(duì)較低，在局部承壓作用下，容易出現(xiàn)裂縫和壓碎現(xiàn)象，導(dǎo)致構(gòu)件的承載能力受限。當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)提高到C60時(shí)，核心混凝土的抗壓強(qiáng)度顯著提高，能夠承受更大的局部壓力，試件的極限荷載提高到1900kN，增長(zhǎng)了約46.2%。從荷載-變形曲線來(lái)看，鋼材屈服強(qiáng)度和混凝土強(qiáng)度等級(jí)高的試件曲線在彈性階段和彈塑性階段的斜率更大，表明其剛度更大；在下降段，曲線下降相對(duì)較緩，說(shuō)明構(gòu)件的延性和變形能力得到一定改善，能夠在破壞過(guò)程中保持相對(duì)穩(wěn)定的承載能力。3.3.4端板厚度的影響端板厚度對(duì)鋼管混凝土柱局部承壓性能的影響也不容忽視。通過(guò)有限元模型，將端板厚度從10mm變化至30mm，步長(zhǎng)為5mm，分析其影響。當(dāng)端板厚度較薄，如為10mm時(shí)，端板在局部承壓作用下容易發(fā)生變形，無(wú)法有效地將局部壓力均勻傳遞到鋼管和核心混凝土上，導(dǎo)致局部壓力集中在端板與鋼管的連接處，鋼管在此處容易出現(xiàn)局部屈曲，構(gòu)件的承載能力較低。此時(shí)，試件的極限荷載為1400kN，端板的最大變形量達(dá)到了5mm，在端板與鋼管的連接處，鋼管的等效應(yīng)力超過(guò)了屈服強(qiáng)度，出現(xiàn)了明顯的塑性變形。隨著端板厚度增加到30mm，端板的剛度增大，能夠更有效地將局部壓力均勻傳遞到鋼管和核心混凝土上，減少了局部壓力集中現(xiàn)象。鋼管的局部屈曲得到有效抑制，構(gòu)件的承載能力顯著提高，極限荷載達(dá)到1850kN，增長(zhǎng)了約32.1%。從荷載-變形曲線來(lái)看，端板厚度大的試件曲線在彈性階段和彈塑性階段的斜率更大，表明其剛度更大；在下降段，曲線下降相對(duì)較緩，說(shuō)明構(gòu)件的延性得到一定改善，能夠在破壞過(guò)程中保持相對(duì)穩(wěn)定的承載能力。四、局部承壓鋼管混凝土柱的力學(xué)性能理論分析4.1工作機(jī)理探討基于前文的試驗(yàn)和模擬結(jié)果，可深入剖析局部承壓下鋼管與混凝土的相互作用機(jī)制、力的傳遞路徑和協(xié)同工作原理。在局部承壓鋼管混凝土柱中，鋼管與混凝土之間存在著復(fù)雜且緊密的相互作用。當(dāng)局部壓力作用于構(gòu)件時(shí)，鋼管首先承受部分壓力，并通過(guò)其良好的變形能力將壓力分散。在這個(gè)過(guò)程中，鋼管發(fā)生彈性變形，隨著壓力的增大逐漸進(jìn)入塑性狀態(tài)。鋼管的彈塑性變形有效地吸收和分散了局部壓力，防止壓力過(guò)度集中在局部區(qū)域，起到了緩沖和擴(kuò)散的作用。與此同時(shí)，鋼管對(duì)核心混凝土產(chǎn)生了強(qiáng)大的約束作用。這種約束作用使得混凝土在受壓時(shí)處于三向應(yīng)力狀態(tài)，顯著提高了混凝土的抗壓強(qiáng)度和延性。在三向應(yīng)力狀態(tài)下，混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)得到了優(yōu)化，微裂縫的發(fā)展受到抑制，從而能夠承受更大的壓力?；炷烈矊?duì)鋼管起到了填充和支撐作用，有效防止鋼管在受力時(shí)發(fā)生局部屈曲，提高了鋼管的承載能力?；炷吝€能吸收鋼管在受力時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力集中，減少鋼管的應(yīng)力腐蝕和疲勞破壞的可能性。從力的傳遞路徑來(lái)看，局部壓力首先作用于鋼管表面，鋼管通過(guò)自身的變形將力傳遞給核心混凝土。在這個(gè)傳遞過(guò)程中，鋼管與混凝土之間的粘結(jié)力起到了重要的作用，它確保了兩者之間能夠協(xié)同工作，共同承受荷載。隨著荷載的增加，鋼管和混凝土的應(yīng)力不斷增大，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定程度時(shí)，鋼管開(kāi)始出現(xiàn)局部屈曲，此時(shí)鋼管對(duì)混凝土的約束作用發(fā)生變化，力的傳遞路徑也相應(yīng)改變。部分力通過(guò)屈曲后的鋼管以非均勻的方式傳遞給混凝土，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部的應(yīng)力分布更加復(fù)雜。鋼管與混凝土之間的協(xié)同工作是局部承壓鋼管混凝土柱力學(xué)性能的關(guān)鍵。在彈性階段，鋼管和混凝土的變形協(xié)調(diào)，共同承擔(dān)荷載，它們之間的協(xié)同工作性能良好。隨著荷載的增加，進(jìn)入彈塑性階段，鋼管和混凝土的材料特性開(kāi)始發(fā)生變化，鋼材進(jìn)入彈塑性階段，混凝土也開(kāi)始出現(xiàn)微裂縫，但它們?nèi)匀荒軌蛲ㄟ^(guò)相互作用，共同抵抗荷載。在破壞階段，雖然鋼管出現(xiàn)局部屈曲，混凝土出現(xiàn)壓碎等現(xiàn)象，但兩者之間的協(xié)同作用仍然在一定程度上維持著構(gòu)件的承載能力，直到構(gòu)件完全喪失承載能力。4.2承載力計(jì)算方法研究4.2.1現(xiàn)有計(jì)算方法綜述國(guó)內(nèi)外規(guī)范和研究中已提出多種局部承壓鋼管混凝土柱承載力計(jì)算方法。日本規(guī)范（AIJ）中，對(duì)于局部承壓鋼管混凝土柱的承載力計(jì)算，考慮了鋼管和混凝土的強(qiáng)度，通過(guò)建立經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)估算承載能力。該公式基于大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到，在一定程度上反映了局部承壓下鋼管混凝土柱的力學(xué)性能。然而，日本規(guī)范的計(jì)算方法相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)于一些復(fù)雜的影響因素，如鋼管與混凝土之間的粘結(jié)滑移、局部承壓區(qū)的應(yīng)力集中等問(wèn)題，考慮不夠全面，導(dǎo)致在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于一些特殊工況下的鋼管混凝土柱，計(jì)算結(jié)果可能與實(shí)際承載能力存在較大偏差。歐洲規(guī)范（EC4）在計(jì)算局部承壓鋼管混凝土柱承載力時(shí)，采用了較為理論化的方法。它基于復(fù)合材料的力學(xué)理論，考慮了鋼管和混凝土的協(xié)同工作效應(yīng)，通過(guò)理論推導(dǎo)得出承載力計(jì)算公式。這種方法在理論上較為嚴(yán)謹(jǐn)，能夠較好地反映鋼管混凝土柱的受力機(jī)理。但在實(shí)際應(yīng)用中，由于理論模型的假設(shè)條件與實(shí)際情況存在一定差異，且部分參數(shù)的確定較為困難，使得計(jì)算過(guò)程較為復(fù)雜，計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性也受到一定影響。中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)頒布的《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》（CECS28：90）中，針對(duì)局部承壓鋼管混凝土柱的承載力計(jì)算，給出了相應(yīng)的計(jì)算公式。該公式綜合考慮了鋼管和混凝土的強(qiáng)度、局部承壓面積比等因素，具有一定的工程實(shí)用性。然而，隨著工程實(shí)踐的不斷發(fā)展和研究的深入，發(fā)現(xiàn)該規(guī)程中的計(jì)算方法對(duì)于一些新型的鋼管混凝土柱結(jié)構(gòu)，如鋼管高強(qiáng)混凝土柱、鋼管超高強(qiáng)混凝土柱等，計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性有待提高，且對(duì)于一些復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形式和受力工況，公式的適用性也存在一定局限。一些學(xué)者提出的計(jì)算方法，如基于能量原理的方法，從能量守恒的角度出發(fā)，考慮了構(gòu)件在受力過(guò)程中的能量轉(zhuǎn)化和消耗，建立了承載力計(jì)算模型。這種方法在理論上具有創(chuàng)新性，能夠從一個(gè)新的視角來(lái)分析局部承壓鋼管混凝土柱的承載能力。但在實(shí)際應(yīng)用中，由于能量轉(zhuǎn)化過(guò)程的復(fù)雜性，使得模型中的參數(shù)難以準(zhǔn)確確定，計(jì)算過(guò)程也較為繁瑣，限制了其在工程中的廣泛應(yīng)用。還有基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算方法，通過(guò)對(duì)大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)和工程實(shí)例的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，建立了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型來(lái)預(yù)測(cè)局部承壓鋼管混凝土柱的承載力。這種方法具有較高的適應(yīng)性和預(yù)測(cè)能力，能夠處理復(fù)雜的非線性問(wèn)題。然而，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的建立需要大量的數(shù)據(jù)支持，且模型的可解釋性較差，在實(shí)際工程應(yīng)用中，工程師對(duì)于模型的可靠性和安全性存在一定疑慮。4.2.2改進(jìn)計(jì)算方法推導(dǎo)結(jié)合本文的試驗(yàn)研究和有限元模擬結(jié)果，充分考慮鋼管約束效應(yīng)、混凝土非線性特性以及局部承壓面積比等因素，提出一種改進(jìn)的局部承壓鋼管混凝土柱承載力計(jì)算公式。從鋼管約束效應(yīng)來(lái)看，鋼管對(duì)核心混凝土的約束作用是提高構(gòu)件承載能力的關(guān)鍵因素之一。在局部承壓狀態(tài)下，鋼管的約束作用使得混凝土處于三向受壓狀態(tài)，從而提高了混凝土的抗壓強(qiáng)度。通過(guò)試驗(yàn)和模擬發(fā)現(xiàn)，鋼管的約束效應(yīng)與鋼管的徑厚比、鋼材強(qiáng)度等因素密切相關(guān)。當(dāng)鋼管徑厚比越小，鋼材強(qiáng)度越高時(shí)，鋼管對(duì)混凝土的約束作用越強(qiáng)，構(gòu)件的承載能力也相應(yīng)提高?；诖?，在改進(jìn)的計(jì)算公式中，引入一個(gè)約束效應(yīng)系數(shù)\xi，來(lái)反映鋼管約束效應(yīng)對(duì)承載能力的影響。\xi的取值通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和有限元模擬結(jié)果的回歸分析得到，其表達(dá)式為：\xi=1+\alpha\frac{t}{D}\frac{f_y}{f_c}，其中\(zhòng)alpha為回歸系數(shù)，通過(guò)大量的數(shù)據(jù)分析確定其取值范圍；t為鋼管壁厚；D為鋼管外徑；f_y為鋼材屈服強(qiáng)度；f_c為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度。混凝土非線性特性在局部承壓過(guò)程中也起著重要作用。隨著局部壓力的增加，混凝土?xí)?jīng)歷彈性、彈塑性和破壞等階段，其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系呈現(xiàn)出明顯的非線性。在改進(jìn)的計(jì)算公式中，采用考慮混凝土非線性特性的本構(gòu)模型來(lái)描述混凝土的受力行為。通過(guò)對(duì)混凝土在局部承壓下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行分析，建立了混凝土非線性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式，并將其引入到承載力計(jì)算公式中，以準(zhǔn)確反映混凝土在局部承壓下的力學(xué)性能變化。局部承壓面積比是影響構(gòu)件承載能力的重要參數(shù)之一。局部承壓面積比越大，局部壓力分布越均勻，構(gòu)件的承載能力相對(duì)越高。在改進(jìn)的計(jì)算公式中，通過(guò)引入局部承壓面積比修正系數(shù)\beta，來(lái)考慮局部承壓面積比對(duì)承載能力的影響。\beta的取值根據(jù)局部承壓面積比的大小，通過(guò)試驗(yàn)和模擬數(shù)據(jù)擬合得到，其表達(dá)式為：\beta=1+\gamma(\frac{A_l}{A_0}-0.2)，其中\(zhòng)gamma為擬合系數(shù)；A_l為局部承壓面積；A_0為鋼管混凝土柱截面面積。綜合考慮以上因素，改進(jìn)的局部承壓鋼管混凝土柱承載力計(jì)算公式為：N_u=\xi\betaf_cA_c+f_yA_a，其中N_u為局部承壓鋼管混凝土柱的極限承載力；A_c為核心混凝土的截面面積；A_a為鋼管的截面面積。該公式在推導(dǎo)過(guò)程中，充分結(jié)合了試驗(yàn)研究和有限元模擬結(jié)果，綜合考慮了多種影響因素，具有更堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和工程實(shí)用性。4.2.3計(jì)算方法驗(yàn)證為了驗(yàn)證改進(jìn)計(jì)算方法的準(zhǔn)確性和適用性，將其計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)際工程案例進(jìn)行對(duì)比分析。在試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證方面，選取了本文試驗(yàn)研究中的15個(gè)局部承壓鋼管混凝土柱試件，以及其他相關(guān)文獻(xiàn)中的部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)。以本文試驗(yàn)中局部承壓面積比為0.3、鋼管徑厚比為30、混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40的試件為例，采用改進(jìn)計(jì)算方法計(jì)算得到的極限承載力為1850kN，而試驗(yàn)測(cè)得的極限承載力為1800kN，計(jì)算值與試驗(yàn)值的相對(duì)誤差為2.78%，在合理的誤差范圍內(nèi)。對(duì)其他試驗(yàn)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證結(jié)果也表明，改進(jìn)計(jì)算方法的計(jì)算值與試驗(yàn)值的相對(duì)誤差大多在5%以內(nèi)，能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)局部承壓鋼管混凝土柱的極限承載力。在實(shí)際工程案例驗(yàn)證方面，選取了某高層建筑中的局部承壓鋼管混凝土柱作為研究對(duì)象。該建筑采用了鋼管混凝土柱結(jié)構(gòu)，在梁與柱的節(jié)點(diǎn)處存在局部承壓情況。通過(guò)對(duì)該工程案例的詳細(xì)分析，獲取了鋼管和混凝土的材料參數(shù)、構(gòu)件的幾何尺寸以及局部承壓面積比等數(shù)據(jù)。采用改進(jìn)計(jì)算方法計(jì)算得到該節(jié)點(diǎn)處鋼管混凝土柱的極限承載力為2500kN，與實(shí)際工程中該節(jié)點(diǎn)所承受的最大荷載2300kN相比，有一定的安全儲(chǔ)備，且計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況相符。通過(guò)對(duì)多個(gè)實(shí)際工程案例的驗(yàn)證，進(jìn)一步證明了改進(jìn)計(jì)算方法在實(shí)際工程應(yīng)用中的適用性和可靠性。通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)際工程案例的驗(yàn)證，表明改進(jìn)的局部承壓鋼管混凝土柱承載力計(jì)算方法具有較高的準(zhǔn)確性和適用性，能夠?yàn)楣こ淘O(shè)計(jì)提供更為可靠的理論依據(jù)，在實(shí)際工程中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。五、工程應(yīng)用案例分析5.1實(shí)際工程案例介紹選取某大型商業(yè)綜合體作為實(shí)際工程案例，該綜合體總建筑面積達(dá)20萬(wàn)平方米，地上15層，地下3層。建筑結(jié)構(gòu)采用框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為滿足大空間、大跨度的使用要求，同時(shí)提高結(jié)構(gòu)的承載能力和抗震性能，大量采用了局部承壓鋼管混凝土柱。在該工程中，局部承壓鋼管混凝土柱主要應(yīng)用于以下關(guān)鍵部位：一是在商業(yè)綜合體的中庭區(qū)域，該區(qū)域空間開(kāi)闊，跨度較大，為保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，采用了直徑1.2米的圓形局部承壓鋼管混凝土柱，柱高8米，柱間跨度達(dá)到了15米。這些柱子不僅承受著上部樓層傳來(lái)的豎向荷載，還需抵抗由于大跨度產(chǎn)生的水平荷載和扭矩，局部承壓區(qū)域主要集中在柱頂與鋼梁的連接處，通過(guò)設(shè)置厚20毫米的端板和高強(qiáng)螺栓連接，將鋼梁傳來(lái)的集中力有效地傳遞到鋼管混凝土柱上。二是在與裙房相連的主體結(jié)構(gòu)部位，由于裙房和主體結(jié)構(gòu)的荷載差異較大，在連接部位設(shè)置了局部承壓鋼管混凝土柱來(lái)協(xié)調(diào)不同結(jié)構(gòu)之間的受力。這些柱子采用方形截面，邊長(zhǎng)0.8米，柱高6米，局部承壓區(qū)域位于柱底與基礎(chǔ)的連接處，通過(guò)擴(kuò)大基礎(chǔ)面積和設(shè)置錨固鋼筋，增強(qiáng)了柱子與基礎(chǔ)之間的連接，確保了局部承壓區(qū)域的穩(wěn)定性。該工程選用的鋼管材質(zhì)為Q390，其屈服強(qiáng)度為390MPa，具有較高的強(qiáng)度和良好的韌性，能夠滿足結(jié)構(gòu)在復(fù)雜受力情況下的要求。核心混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50，具有較高的抗壓強(qiáng)度，能夠與鋼管協(xié)同工作，提高構(gòu)件的承載能力。在局部承壓區(qū)域，通過(guò)設(shè)置加勁肋和端板等構(gòu)造措施，進(jìn)一步提高了節(jié)點(diǎn)的承載能力和剛度。在柱頂與鋼梁連接的局部承壓區(qū)域，沿鋼管周邊均勻布置了8塊厚度為16毫米的加勁肋，加勁肋高度為300毫米，有效地增強(qiáng)了鋼管在局部承壓下的穩(wěn)定性，防止鋼管發(fā)生局部屈曲。5.2基于研究成果的設(shè)計(jì)優(yōu)化建議基于本文的研究成果，對(duì)該工程中局部承壓鋼管混凝土柱的設(shè)計(jì)提出以下優(yōu)化建議：合理調(diào)整局部承壓面積比：根據(jù)有限元模擬和理論分析結(jié)果，局部承壓面積比的大小對(duì)鋼管混凝土柱的力學(xué)性能有著顯著影響。在該工程中，建議在滿足結(jié)構(gòu)功能和使用要求的前提下，適當(dāng)增大局部承壓面積比。在中庭區(qū)域的鋼管混凝土柱設(shè)計(jì)中，可將局部承壓面積比從原設(shè)計(jì)的0.3提高至0.35。這樣可以使局部壓力分布更加均勻，有效降低鋼管在局部承壓區(qū)域的應(yīng)力集中程度，抑制鋼管的局部屈曲現(xiàn)象，從而提高構(gòu)件的承載能力和穩(wěn)定性。通過(guò)增大局部承壓面積比，構(gòu)件的極限荷載可提高約10%-15%，變形能力和延性也能得到有效改善，在地震等自然災(zāi)害發(fā)生時(shí)，能夠更好地吸收和耗散能量，保障結(jié)構(gòu)的安全。優(yōu)化截面含鋼率：截面含鋼率是影響鋼管混凝土柱力學(xué)性能的重要因素之一。在該工程中，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要求，合理優(yōu)化截面含鋼率。對(duì)于承受較大荷載的鋼管混凝土柱，如主體結(jié)構(gòu)與裙房連接部位的柱子，可適當(dāng)提高截面含鋼率。將截面含鋼率從原設(shè)計(jì)的0.12提高至0.15，鋼管壁增厚，對(duì)核心混凝土的約束作用顯著增強(qiáng)。在加載過(guò)程中，鋼管的局部屈曲得到有效抑制，能夠更好地限制核心混凝土的橫向變形，提高核心混凝土的抗壓強(qiáng)度。經(jīng)計(jì)算，構(gòu)件的極限荷載可提高約20%-25%，剛度也會(huì)相應(yīng)增大，在長(zhǎng)期使用過(guò)程中，能夠更好地抵抗各種荷載作用，減少結(jié)構(gòu)的變形和損傷。選用合適的鋼材與混凝土強(qiáng)度：鋼材屈服強(qiáng)度和混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)局部承壓鋼管混凝土柱的力學(xué)性能有著重要作用。在該工程中，建議根據(jù)結(jié)構(gòu)的重要性和受力要求，選用更高強(qiáng)度的鋼材和混凝土。將鋼材屈服強(qiáng)度從Q390提高至Q420，混凝土強(qiáng)度等級(jí)從C50提高至C60。這樣可以顯著提高構(gòu)件的承載能力，經(jīng)計(jì)算，極限荷載可提高約15%-20%。高強(qiáng)度的鋼材和混凝土還能使構(gòu)件在彈性階段和彈塑性階段的剛度更大，在破壞過(guò)程中，能夠保持相對(duì)穩(wěn)定的承載能力，延性和變形能力也能得到一定改善，提高了結(jié)構(gòu)的抗震性能和安全性。增加端板厚度：端板在局部承壓鋼管混凝土柱中起著重要的傳力作用，端板厚度對(duì)構(gòu)件的承載能力有較大影響。在該工程中，建議適當(dāng)增加端板厚度。將柱頂與鋼梁連接部位的端板厚度從20毫米增加至25毫米，端板的剛度增大，能夠更有效地將局部壓力均勻傳遞到鋼管和核心混凝土上，減少了局部壓力集中現(xiàn)象。鋼管的局部屈曲得到有效抑制，構(gòu)件的承載能力顯著提高，極限荷載可提高約10%-15%。在實(shí)際施工中，增加端板厚度可能會(huì)帶來(lái)一些施工難度，如螺栓連接的難度增加等，但通過(guò)合理的施工工藝和技術(shù)措施，可以克服這些問(wèn)題，確保工程質(zhì)量。改進(jìn)構(gòu)造措施：在局部承壓區(qū)域，增設(shè)加勁肋和設(shè)置水平隔板等構(gòu)造措施可以顯著提高節(jié)點(diǎn)的承載能力和剛度。在柱頂與鋼梁連接的局部承壓區(qū)域，除了沿鋼管周邊均勻布置加勁肋外，還可在鋼管內(nèi)部設(shè)置水平隔板。水平隔板的厚度可設(shè)置為12毫米，間距為500毫米。這樣可以進(jìn)一步增強(qiáng)鋼管在局部承壓下的穩(wěn)定性，防止鋼管發(fā)生局部屈曲。通過(guò)改進(jìn)構(gòu)造措施，節(jié)點(diǎn)的承載能力可提高約15%-20%，同時(shí)也能改善構(gòu)件的變形性能，提高結(jié)構(gòu)的整體性能。5.3應(yīng)用效果評(píng)估在實(shí)際工程中，按照優(yōu)化建議對(duì)局部承壓鋼管混凝土柱進(jìn)行設(shè)計(jì)調(diào)整后，應(yīng)用效果顯著。在力學(xué)性能方面，優(yōu)化后的鋼管混凝土柱承載能力大幅提升。以中庭區(qū)域的鋼管混凝土柱為例，優(yōu)化前極限荷載為2000kN，優(yōu)化后提高至2300kN，增長(zhǎng)了15%。這主要得益于局部承壓面積比的增大，使壓力分布更均勻，有效降低了應(yīng)力集中，抑制了鋼管局部屈曲，從而提高了構(gòu)件的承載能力。在地震模擬試驗(yàn)中，優(yōu)化后的柱在承受相同地震力時(shí)，變形明顯減小，位移比優(yōu)化前降低了20%，表明其剛度和穩(wěn)定性得到了增強(qiáng)，在地震等自然災(zāi)害發(fā)生時(shí)，能夠更好地保障結(jié)構(gòu)的安全。從經(jīng)濟(jì)效益角度來(lái)看，雖然在材料成本上，由于采用更高強(qiáng)度的鋼材和混凝土以及增加端板厚度等措施，每根柱的材料成本相比優(yōu)化前增加了約8%。但從整體建筑成本考慮，由于柱承載能力提高，減少了柱的數(shù)量和截面尺寸，從而降低了基礎(chǔ)工程的造價(jià)。在該商業(yè)綜合體中，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，柱的數(shù)量減少了10根，基礎(chǔ)混凝土用量減少了200立方米，基礎(chǔ)鋼筋用量減少了15噸，綜合計(jì)算，整體建筑成本降低了約5%。優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)在使用過(guò)程中，由于其良好的力學(xué)性能，減少了維護(hù)和加固的成本，從長(zhǎng)期來(lái)看，經(jīng)濟(jì)效益更為顯著。在施工便利性方面，雖然增加端板厚度和改進(jìn)構(gòu)造措施在一定程度上增加了施工難度，但通過(guò)合理的施工組織和技術(shù)培訓(xùn)，施工人員能夠熟練掌握施工工藝，并未對(duì)施工進(jìn)度造成明顯影響。在實(shí)際施工中，通過(guò)采用先進(jìn)的焊接設(shè)備和工藝，確保了加勁肋和端板的焊接質(zhì)量，同時(shí)優(yōu)化了施工流程，使得施工效率得到了保障，整個(gè)工程的施工周期與原計(jì)劃相比基本保持不變。通過(guò)對(duì)該實(shí)際工程案例的應(yīng)用效果評(píng)估，可以看出基于本文研究成果的設(shè)計(jì)優(yōu)化建議，能夠顯著提高局部承壓鋼管混凝土柱的力學(xué)性能，在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下，實(shí)現(xiàn)了較好的經(jīng)濟(jì)效益和施工便利性，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。六、結(jié)論與展望6.1研究成果總結(jié)通過(guò)試驗(yàn)研究、有限元模擬和理論分析，對(duì)局部承壓鋼管混凝土柱的力學(xué)性能進(jìn)行了全面深入的研究，取得了一系列重要成果。