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偏压下矩形钢管混凝土柱局部屈曲性能：拉杆约束的影响与比较研究

一、绪论

1.1钢管混凝土结构的特点与发展

钢管混凝土结构作为一种高效的组合结构形式，近年来在建筑领域得到了广泛应用。这种结构通过在钢管内填充混凝土，充分发挥了钢材和混凝土两种材料的优势。钢材具有良好的抗拉强度和延性，能够有效承担拉力；而混凝土则具有较高的抗压强度，在受压时表现出色。两者结合后，钢管对内部混凝土形成约束，使混凝土处于三向受压状态，显著提高了混凝土的抗压强度和变形能力，同时，内部混凝土也增强了钢管的稳定性，有效避免了钢管的局部屈曲。这种协同工作的方式使得钢管混凝土结构在力学性能上具有明显优势，与传统的钢筋混凝土结构和钢结构相比，钢管混凝土结构在相同荷载条件下，构件截面尺寸更小，自重更轻，从而减少了基础的负荷，降低了建设成本。在一些高层和超高层建筑中，采用钢管混凝土柱能够有效增加建筑的使用空间，提高建筑的经济性和实用性。此外，钢管混凝土结构还具有良好的抗震性能，在地震作用下，其优越的延性和耗能能力能够有效吸收和耗散地震能量，保障结构的安全。

钢管混凝土结构的发展历程也见证了其在建筑领域的重要地位逐渐提升。自20世纪初，美国率先在一些单层和多层房屋中应用钢管混凝土柱以来，这种结构形式逐渐受到全球范围内的关注。随着建筑技术的不断进步和工程实践的积累，钢管混凝土结构在理论研究和实际应用方面都取得了显著进展。在理论研究方面，国内外学者对钢管混凝土的力学性能、设计方法、施工工艺等进行了深入研究，建立了较为完善的理论体系。在实际应用中，钢管混凝土结构广泛应用于高层建筑、桥梁、地铁车站、工业厂房以及高耸塔架等各类工程领域。在北京地铁车站站台中，钢管混凝土柱的使用不仅充分发挥了其优良的受力性能，还获得了良好的景观效果，同时缩短了工期。在江西省体育馆的屋盖结构中，巧妙地将钢管混凝土与空腹桁架配钢的型钢混凝土结构相结合，解决了高大拱体现场浇筑混凝土的困难，体现了钢管混凝土结构在复杂工程中的应用优势。

1.2局部屈曲性能研究现状

1.2.1圆形钢管混凝土柱

圆形钢管混凝土柱由于其截面的轴对称性，在受力性能上具有一定的优势。在局部屈曲研究方面，众多学者进行了深入的探讨。一些研究通过理论分析，利用薄壁圆管壳小挠度屈曲理论及满足边界条件的屈曲位移函数，推导了在核心混凝土支承作用下圆钢管轴对称及非轴对称局部屈曲系数计算式。研究表明，核心混凝土对圆钢管的局部屈曲具有显著的约束作用，使得圆钢管在承受荷载时，能够更好地保持稳定性。通过试验研究发现，在轴心受压情况下，圆形钢管混凝土柱的局部屈曲发生较晚，且屈曲形态相对较为规则。有限元分析方法也被广泛应用于圆形钢管混凝土柱局部屈曲的研究中，通过建立精确的有限元模型，能够模拟不同工况下圆形钢管混凝土柱的局部屈曲过程，分析各种因素对局部屈曲性能的影响，如钢管径厚比、混凝土强度、荷载偏心等。

1.2.2方形钢管混凝土柱

方形钢管混凝土柱的局部屈曲研究也取得了丰硕的成果。早期的研究主要集中在理论分析方面，通过建立力学模型，采用能量法等手段推导局部屈曲临界应力的计算公式。有研究假设钢管内的混凝土是刚性材料，钢管板件在非加载边受到弹性约束，从而确定出钢管壁板的局部屈曲模型，并推导出方钢管混凝土柱在轴压下钢管管壁的局部屈曲临界应力。随着研究的深入，试验研究成为重要的手段。通过对不同参数的方形钢管混凝土柱进行轴压试验，观察其局部屈曲现象，分析屈曲的发生机制和影响因素。试验结果表明，方形钢管混凝土柱的局部屈曲与钢管的宽厚比、混凝土的约束作用以及荷载的施加方式等密切相关。在有限元分析方面，利用有限元软件能够准确模拟方形钢管混凝土柱的局部屈曲过程，与试验结果相互验证，进一步完善了对方形钢管混凝土柱局部屈曲性能的认识。

1.2.3矩形钢管混凝土柱

矩形钢管混凝土柱在实际工程中应用广泛，但其局部屈曲问题相对较为复杂。由于矩形截面的非轴对称性，在受力时钢管壁的应力分布不均匀，使得局部屈曲更容易发生。在研究进展方面，一些学者通过理论推导，结合伽辽金法等数学方法，引入应力梯度系数，推导出了计算局部屈曲临界应力的公式。研究发现，矩形钢管混凝土柱的约束机理较为特殊，核心混凝土在压力下横向膨胀，导致矩形钢管截面中部的管壁产生水平弯曲，而转角处的刚度较大，对核心混凝土的约束效果更显著。这使得矩形钢管混凝土柱在局部屈曲性能上与圆形和方形钢管混凝土柱存在差异。然而，目前矩形钢管混凝土柱在局部屈曲研究方面仍存在一些问题。例如，对于复杂受力条件下的局部屈曲研究还不够深入，现有的理论模型和计算方法在准确性和适用性方面还有待提高。在实际工程中，矩形钢管混凝土柱可能承受多种荷载组合，如偏压、弯剪等，这些复杂受力情况对局部屈曲性能的影响还需要进一步研究。

1.2.4其他截面