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方钢管内约束RPC短柱轴压力学性能：试验与理论解析

一、引言

1.1研究背景与意义

随着现代建筑行业朝着高层化、大跨度方向发展，对建筑结构的性能要求愈发严苛，不仅需要具备出色的承载能力，还要拥有良好的延性、抗震性能以及便捷的施工特性。在这样的背景下，钢管混凝土结构作为一种新型的复合结构，凭借其独特的优势在建筑领域中得到了广泛应用。方钢管内约束RPC短柱作为一种新型的组合结构构件，融合了方钢管和活性粉末混凝土（RPC）的优点，展现出卓越的力学性能和广阔的应用前景。

RPC是一种高强度、高韧性、低孔隙率的超高强混凝土，其基本配制原理是通过提高组分的细度与活性，使材料内部的缺陷（孔隙与微裂缝）减到最少，从而获得超高强度与高耐久性。然而，未掺微细钢纤维的RPC脆性大、延性差，在高应力或复杂受力状态下，易产生炸裂性脆性破坏，工作可靠性大大降低。而将RPC灌入方钢管形成方钢管内约束RPC短柱后，RPC受到方钢管的有效约束，方钢管具有很强的抗剪和抗扭能力，二者结合有效地克服了RPC脆性大和延性差的弱点，使其优越性能和经济效益得以充分发挥。

在高层建筑中，方钢管内约束RPC短柱可作为主要的竖向承重构件，能够有效减小柱子的截面尺寸，增加建筑的使用空间；在桥梁工程中，它可用于桥墩等部位，提高桥梁结构的稳定性和耐久性；在一些对结构性能要求极高的特殊建筑结构中，该短柱也能凭借其优异的性能满足工程需求。研究方钢管内约束RPC短柱的轴压力学性能，对于推动这种新型组合结构在实际工程中的应用具有重要的理论与现实意义。一方面，尽管目前对于钢管混凝土结构以及RPC材料的研究已取得了一定成果，但针对方钢管内约束RPC短柱轴压力学性能的研究还不够系统和深入，不同的钢材强度、RPC强度以及钢管与RPC之间的相互作用机理等，都会对短柱的轴压力学性能产生显著影响，然而这些影响因素之间的复杂关系尚未完全明晰，深入研究有助于完善相关理论体系；另一方面，从工程应用角度，准确掌握方钢管内约束RPC短柱在轴压作用下的承载能力、变形特性等力学性能，能够为结构设计提供更为坚实的理论依据，从而提高结构设计的合理性，保障建筑的安全性和经济性。

1.2国内外研究现状

国内外学者针对钢管混凝土结构和RPC材料开展了大量研究，取得了一定成果，但专门针对方钢管内约束RPC短柱轴压力学性能的研究相对较少。

在国内，学者们在钢管混凝土结构和RPC材料的研究方面成果颇丰。在钢管混凝土结构研究中，通过改变试件参数和加载方式等，对其破坏形态和承载力进行了深入研究，并基于弹性力学、塑性力学等理论，建立了相应的承载力计算公式。在RPC材料研究中，对其配合比设计、力学性能以及微观结构等方面进行了广泛探讨。然而，在方钢管内约束RPC短柱轴压力学性能研究领域，虽然有一些学者开展了相关工作，但研究内容主要集中在试验研究方面，通过试验观察短柱的破坏模式、分析其承载力和变形性能等，在理论分析和数值模拟方面的研究还不够深入和系统，对于影响短柱轴压力学性能的各因素之间的耦合作用机制尚未完全明确。

在国外，相关研究主要采用试验和数值模拟等方法，对钢管RPC柱在不同加载条件下的力学性能进行了深入研究，同时也探讨了其破坏机理和影响因素等。然而，针对方钢管内约束形式下的RPC短柱轴压力学性能研究同样存在不足，尤其在考虑实际工程复杂工况下的研究较少，并且缺乏统一的设计理论和方法。

综上所述，当前对方钢管内约束RPC短柱轴压力学性能的研究存在一定的局限性，研究成果还不够完善，在理论分析、数值模拟以及实际工程应用等方面仍有许多问题亟待解决。因此，开展方钢管内约束RPC短柱轴压力学性能的深入研究具有重要的理论和现实意义。

1.3研究内容与方法

本文主要研究内容包括以下几个方面：

试验设计：设计并制作不同参数的方钢管内约束RPC短柱试件，包括改变方钢管的壁厚、RPC的强度等级、内约束形式等参数，以全面研究各参数对方钢管内约束RPC短柱轴压力学性能的影响。

试验研究：对制作好的试件进行轴压试验，详细记录试验过程中的荷载-位移曲线、应变分布等数据，观察试件的破坏形态和过程，分析试验结果，研究方钢管内约束RPC短柱在轴压作用下的力学性能。

数据分析：对试验数据进行深入分析，研究各参数与短柱轴压承载力、延性、刚度等力学性能指标之间的关系，为后续的理论分析和模型建立提供数据支持。

理论模型建立：基于试验结果和相关力学理论，建立方钢管内约束RPC短柱轴压承载力的理论计算模型，考虑钢管与RPC之间的相互作用以及材料的非线性特性，推导相应的计算公式，并通过与试验结果对比验证模型的准确性。

数值模拟：利用有限元软件对方钢管内约束RPC短柱