本文是一篇结构工程论文，本文进行受冲击后钢管混凝土柱的轴压试验并利用有限元模拟软件ABAQUS建立模型，对受冲击后钢管混凝土柱在轴压荷载作用下的变形与承载力进行研究。
第一章 绪论
1.1 选题背景及意义
钢管混凝土(CFST)[1-3]结构是指在空钢管中注入混凝土而形成的钢管和核心混凝土共同作用的组合结构。钢管混凝土柱充分发挥了钢管与混凝土的优势，同时弥补钢管与混凝土的弱点。钢管对混凝土的约束限制作用，使得钢管混凝土柱在轴向压缩荷载在作用下，钢管内部核心混凝土因为处于三向受力状态，其受压产生的纵向裂纹的速度延缓，从而提高了内部核心混凝土的强度与延性。同时，内部核心混凝土的存在能够延缓钢管发生局部屈曲，增大钢管混凝土柱的刚度与强度。因此，与空钢管结构与纯混凝土结构相比，钢管混凝土柱延性更好、承载力更高，抗震性能更加优越[4-6]。另外，在施工过程[7-9]中，将钢管作为施工模板使用，便于混凝土浇筑，加快建设进度，所以钢管混凝土柱在施工时也更加方便，工期能够得到大大缩短，带来良好的经济效果[10-12]。所以，钢管混凝土柱在土木工程领域备受关注，被广泛应用到建筑中，如厂房、大跨度结构、桥梁建筑、超高层建筑等结构，如图1-1所示。
1.2 国内外研究现状
目前国内外学者关于钢管混凝土结构的传统静力分析已取得大量研究成果，越来越多的专家学者关注在冲击荷载作用下钢管混凝土柱的力学性能以及钢管混凝土柱在受冲击后剩余承载力的研究。
1.2.1 钢管混凝土构件受冲击下的力学性能研究现状
人类对钢筋混凝土结构及钢结构的应用要早于钢管混凝土结构，所以关于钢筋混凝土结构[19-26]及钢结构[27-33]在冲击荷载作用下的的力学性能研究较多。后来，因为钢管混凝土结构结合钢筋混凝土结构及纯钢结构的优秀力学性能，被广泛应用各类建筑物中，所以吸引了广大研究学者对钢管混凝土构件受冲击下力学性能进行研究，并获得了不错的研究成果。
李文亮（2007）[34]将塑性动力冲击理论应用到钢管混凝土的研究中，提出了动态响应应的钢塑性分析方法，并且验证了钢管混凝土构件在冲击过程中的能量守恒原理，为钢管混凝土结构的冲击力平台值的计算提供新的方法。
任够平（2011）等[35]进行钢管混凝土柱的冲击试验和数值分析研究，结果表明：受到冲击荷载后，钢管混凝土柱发生弯曲变形破坏，屈服后表现出良好力学性能，增大钢管混凝土构件的边界约束和套箍系数可增大钢管混凝土构件的抗冲击性能。
瞿海雁（2011）等[36]对侧向冲击下钢管混凝土构件的跨中和支座“塑性铰”的产生机制和原理进行了研究，并最终提出了基于冲击荷载作用下钢管混凝土构件的简化分析模型。
侯川川（2012）等[37]对钢管混凝土构件进行侧向冲击试验和有限元建模，结果表明：钢管混凝土构件拥有良好的抗冲击性能，钢材强度、含钢率、直径和冲击速度是影响抗弯强度的主要因素。
第二章 受冲击后钢管混凝土柱轴压力学性能试验
2.2 试验设计
本次试验共设计了7根钢管混凝土柱，其中4根钢管混凝土柱直径为168mm，钢管壁厚分别为5mm和7mm，另外3根钢管混凝土柱直径为140mm，钢管混凝土柱具体尺寸如图2-1。其中钢管所采用的钢材为Q345，实测的钢材材性见表2-1。每根钢管混凝土柱的两端设置30mm厚的方形端板，端板尺寸为350mm×350mm，两端端板上面各设置8个螺栓孔，螺栓孔与落锤冲击试验装置的反力钢墩螺栓连接形成一边固端约束，另一边简支的约束。
钢管混凝土柱参数设置及试验条件见表2-2。参数设计主要考虑了钢管混凝土柱的钢管厚度、冲击能量和轴压比。表2-2给出了钢管混凝土柱参数设计，编号规则为：第一个字母D代表外直径140mm，D*代表外直径168mm；第二个字母t代表钢管壁厚4.5mm，T代表钢管壁厚5mm，T*代表钢管壁厚7mm；第三个字母代表轴压比情况，N代表未加轴压力，P代表预加轴压比为0.2，P*代表预加轴压比为0.4；最后一个数字表示落锤冲击能量（为落锤落到钢管混凝土柱表面时的冲击能量）大小，1为冲击能量16.1KJ，2为冲击能量22.6KJ，3为冲击能量29.1KJ，4为冲击能量30.6KJ；如DtP-1，表示混凝土直径为140mm、钢管壁厚4.5mm，其轴压比为0.2，冲击能量为16.1KJ。
2.3 试验装置和测量
2.3.1 冲击试验装置
本试验研究分为2个试验阶段，包括钢管混凝土柱的落锤试验和受冲击后钢管混凝土柱的轴压试验。首先在超高型落锤试验机上对钢管混凝土柱进行冲击试验，落锤由圆形锤头、配重块和力传感器三部分组成，配重总质量可在230~980kg范围内调整，落锤试验机有效高度为14.5m，试验过程中，为保证落锤始终处于钢管混凝土柱跨中处的正上方，利用设备自带的导轨将落锤约束在竖直方向上。
2.3.2 轴压试验装置
图2-3为轴压试验的试验设备，轴压试验的加载设备采用500t微机控制电液伺服万能压力机（型号：YAW-5000），如图2-3（a）所示。使用武汉优泰电子技术有限公司生产的优泰分布式网络高速静态应变仪（型号：UT7260）采集轴压过程中钢管混凝土柱的横向应变与纵向应变，如图2-3（b）所示。该应变采集箱的静态采样速率为1Hz，该应变采集箱通过双倍积分和三重积分，具有高精度与高稳定性的特点。
第三章 受冲击后钢管混凝土柱轴压有限元建模与验证 .................... 28
3.1 引言 ................................... 28
3.2 有限元模型 .............................. 28
第四章 受冲击后钢管混凝土柱承载力参数分析 ............................... 43
4.1 引言 ............................... 43
4.2 位移加载方案 ......................... 43
第五章 受冲击后钢管混凝土柱剩余承载力 ...................... 63
5.1 引言 ..................................... 63
5.2 各国规范圆钢管混凝土极限承载力计算 ......... 63
第五章 受冲击后钢管混凝土柱剩余承载力
5.3 各国规范计算结果对比
表5-3是未受冲击的钢管混凝土柱承载力的各国规范计算值与有限元计算值对比，其中Nu为有限元计算获得的未受冲击的钢管混凝土柱的承载力值；N1、N2、N3、N4、分别为使用规范CECS 28-2012、AIJ、BS5400、AISC-LRFD公式计算获得的未受冲击的钢管混凝土柱的的承载力值，所有承载力单位均为kN。可以看出，按照CECS规范计算获得的未受冲击的钢管混凝土柱的承载力均高于有限元计算获得的未受冲击的钢管混凝土柱的承载力，大部分钢管混凝土柱的规范计算值在20%的允许误差内，并且Nu/N1的平均值为0.859，Nu/N1的方差为0.0008，Nu/N1的变异系数为0.0337。按照AIJ规范计算获得的未受冲击的钢管混凝土柱的承载力大部分低于有限元计算获得的未受冲击的钢管混凝土柱的承载力，部分钢管混凝土柱的规范计算值超出20%的允许误差，并且Nu/N2的平均值为1.029，Nu/N2的方差为0.0037，Nu/N2的变异系数为0.0592。按照BS5400规范计算获得的未受冲击的钢管混凝土柱的承载力全部低于有限元计算获得的未受冲击的钢管混凝土柱的承载力，所有钢管混凝土柱的规范计算值均在20%的允许误差内，并且Nu/N3的平均值为1.105，Nu/N3的方差为0.0017，Nu/N3的变异系数为0.0277。按照AISC规范计算获得的未受冲击的钢管混凝土柱的承载力大部分低于有限元计算获得的未受冲击的钢管混凝土柱的承载力，只有部分钢管混凝土柱的规范计算值在20%的允许误差内，并且Nu/N4的平均值为1.267，Nu/N1的方差为0.0056，Nu/N1的变异系数为0.0591。
第六章 结论与展望
6.1 结论
本文进行受冲击后钢管混凝土柱的轴压试验并利用有限元模拟软件ABAQUS建立模型，对受冲击后钢管混凝土柱在轴压荷载作用下的变形与承载力进行研究，结论如下：
（1）受冲击后钢管混凝土柱在轴压荷载下力学性能研究。考虑参数轴压比、冲击能量和钢管壁厚对受冲击后钢管混凝土柱在轴压荷载作用下的变形形态、承载力、初始刚度系数和位移延性系数等力学性能的影响。研究表明：1）受冲击后钢管混凝土柱的整体挠度变形继续增大，且跨中受冲击部位局部凹陷位移最大，钢管混凝土柱的两侧端部的屈曲逐渐明显，部分钢管混凝土柱的两侧端部出现鼓曲。2）钢管混凝土柱荷载-纵向位移曲线具体可分为5段，即线性I、平台段，线性段II、非线性段和峰值荷载后的下降段。3）当轴压比小于0.2时，峰值荷载和位移延性系数提高较快；当轴压比为0.4时，与轴压比为0.2时相比，钢管混凝土柱的力学性能提高开始减慢，初始刚度系数随着轴压比的增大而增大。4）增大钢管壁厚能够改善钢管混凝土柱力学性能。钢管壁厚为7mm的钢管混凝土柱承载力、位移延性系数、初始刚度系数比5mm的提升了35.46%、22.89%、7.84%。5）随冲击能量的增大，钢管混凝土柱的轴压力学性能下降。冲击能量从16.1KJ增加到29.1KJ时，钢管混凝土柱峰值荷载降低了23.53%，位移延性降低了31.02%，初始刚度系数降低了30.23%。
（2）轴压荷载作用下受冲击后钢管混凝土柱的有限元模型的建立及验证。建立轴压荷载作用下受冲击后钢管混凝土柱的有限元模型，并将计算结果与试验结果进行对比验证，确保所建有限元模型的准确可靠，并最终网格尺寸
