薄壁方钢管轻质混凝土轴压短柱力学性能研究：理论、试验与工程应用.docxVIP

薄壁方钢管轻质混凝土轴压短柱力学性能研究：理论、试验与工程应用

一、引言

（一）研究背景与工程意义

在建筑材料与结构不断创新发展的进程中，薄壁方钢管轻质混凝土作为一种新型组合材料应运而生。它融合了薄壁方钢管和轻质混凝土两者的优势，展现出轻质高强的特性，能够有效减轻结构自重，同时提升结构的承载能力，特别适用于对自重有严格限制的高层建筑、大跨度桥梁等工程项目。在施工方面，其施工便捷性显著，薄壁方钢管可作为浇筑混凝土的模板，减少了传统模板的支设与拆除工作，大大缩短了施工周期，降低了施工成本。此外，该组合材料在抗震性能上也表现出色，钢管与混凝土之间的协同工作能够有效消耗地震能量，增强结构在地震作用下的稳定性。

轴压短柱作为各类建筑结构和桥梁结构中的基础受力构件，犹如建筑的“根基”，承担着主要的竖向荷载。其力学性能的优劣直接关乎整个结构的安全性与稳定性。在实际工程中，一旦轴压短柱出现破坏，极有可能引发连锁反应，导致整个结构体系的失效，造成严重的人员伤亡和财产损失。因此，深入开展薄壁方钢管轻质混凝土轴压短柱的力学性能研究，对于推动这种新型材料在工程中的广泛应用、完善相关结构设计理论具有重要的现实意义。一方面，能够为工程设计人员提供更为准确可靠的设计依据，使其在设计过程中合理选用材料和构件尺寸，确保结构的安全性与经济性；另一方面，有助于进一步拓展新型结构材料的应用领域，促进建筑行业的绿色可持续发展，满足现代社会对建筑结构日益增长的性能需求。

（二）研究目标与核心问题

本研究紧密围绕薄壁方钢管轻质混凝土轴压短柱展开，旨在全面、深入地揭示其力学性能的内在规律。具体研究目标包括：精确测定轴压短柱的承载力，明确其在不同工况下所能承受的最大荷载，为结构设计提供关键的参数指标；深入剖析其变形特性，了解在轴向压力作用下短柱的变形发展过程，包括弹性变形、弹塑性变形以及破坏阶段的变形特征，从而评估结构的适用性和可靠性；系统探究破坏机理，明晰短柱从开始受力到最终破坏的全过程中，钢管与混凝土之间的相互作用机制、应力分布变化以及破坏的诱发因素和发展路径；细致分析影响轴压短柱力学性能的关键因素，如钢管壁厚、混凝土强度等级、轻骨料种类和含量等，为优化结构设计提供理论支撑。

为实现上述研究目标，需要聚焦以下核心问题：一是如何准确建立能够反映薄壁方钢管轻质混凝土轴压短柱力学行为的理论模型，充分考虑材料的非线性、钢管与混凝土之间的协同工作效应以及边界条件的影响；二是怎样通过科学合理的试验方案，获取真实可靠的试验数据，全面验证理论分析和数值模拟的准确性，并进一步挖掘试验过程中呈现出的力学性能规律；三是如何运用先进的数值仿真技术，建立高精度的有限元模型，模拟轴压短柱在复杂受力条件下的力学响应，深入分析各种因素对其力学性能的影响程度，从而建立起一套适用于工程设计的力学性能评价体系，为薄壁方钢管轻质混凝土轴压短柱的广泛应用提供坚实的理论基础和技术保障。

二、研究现状与理论基础

（一）国内外研究进展

在薄壁方钢管轻质混凝土轴压短柱的研究领域，国外的研究起步较早，欧美日等国的学者们率先开展了相关探索。早期的研究重点主要聚焦于钢管混凝土的约束效应，通过大量的试验和理论分析，深入探究了钢管对核心混凝土的约束作用机制，明确了约束效应对构件力学性能的重要影响。他们采用先进的试验设备和测试技术，对钢管混凝土在轴压荷载下的力学行为进行了细致观察和数据采集，为后续的研究奠定了坚实的理论基础。

近年来，随着轻质骨料在建筑材料领域的应用逐渐广泛，国外学者开始逐步关注轻质骨料对短柱性能的影响。他们通过改变轻质骨料的种类、级配和含量等参数，系统地研究了这些因素对轴压短柱的强度、变形和破坏模式的影响规律。一些学者还提出了基于能量原理的承载力计算方法，该方法从能量的角度出发，考虑了构件在受力过程中的能量转化和消耗，为轴压短柱的承载力计算提供了新的思路和方法。然而，目前针对薄壁方钢管的系统性研究仍存在明显不足，对于薄壁方钢管在复杂受力条件下的局部屈曲行为、与轻质混凝土的协同工作性能等方面的研究还不够深入，缺乏全面且深入的理论分析和试验验证。

国内学者在该领域也开展了大量富有成效的研究工作。围绕套箍系数、混凝土强度等关键参数，国内学者精心设计并进行了一系列试验研究。通过对不同参数组合下的轴压短柱进行试验，深入分析了这些参数对构件力学性能的影响规律。在理论研究方面，国内学者基于试验结果，建立了考虑冷弯效应的本构模型，该模型充分考虑了薄壁方钢管在冷弯加工过程中产生的残余应力和材料性能变化对构件力学性能的影响，更加准确地描述了薄壁方钢管轻质混凝土轴压短柱的力学行为。此外，研究还发现角部约束对核心混凝土强度提升具有显著作用，钢管的角部能够有效地限制混凝土的横向变形，从而提高混凝土的抗压强度和延性。

然而，尽管国内在