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摘要：钢管混凝土凭借其良好的抗震性能、较高的承载能力、显著的经济效益等优点，在高层、大跨结构中得到越来越多的应用。故建立适用于描述钢管混凝土柱损伤状态的合理损伤模型就显得尤为重要。本文介绍了其研究现状、分析了存在的问题及改进建议、评估了损伤参数可行性、提出了简易的损伤模型，供业内同仁参考。
关键词：钢管混凝土；抗震性能；柱损伤状态
1前言
钢管混凝土柱由于具有承载力高、塑性和韧性好、施工方便和经济效果好等优点，满足了现代工程结构向大跨度、高耸结构发展和承受恶劣条件的需要，符合现代施工技术的工业化要求，因此被广泛应用于各类厂房结构、商业广场、高层或超高层结构以及桥梁结构中，已取得良好的经济效益和建筑效果。
在钢筋混凝土柱中，钢筋与混凝土配合工作，一旦混凝土达到极限压应变，就会立即退出工作，导致构件承载能力迅速降低。而在钢管混凝土柱受压时，内部混凝土受到外部钢管的约束，可延缓其在压力荷载下裂缝的开展，外部钢管也因为内部混凝土的填充，截面刚度提高，减少了屈曲的发生。
以首次超越破坏与累计损伤破坏的破坏准则建立的地震损伤模型已为地震工程界所认可，越来越多的被研究者应用在基于性能化的抗震设计中。另一方面，地震损伤模型有助于评估结构或构件震后的损伤状态，为工程加固提供依据。因此，建立适用于描述钢管混凝土柱损伤状态的合理损伤模型就显得尤为重要。
2钢管混凝土柱损伤模型研究现状
近年来，国内外学者对钢管混凝土柱静力性能、滞回性能以及耐火性能等各个方面进行了充分的研究，但针对钢管混凝土柱损伤模型的研究目前相对较少，现有研究工作有邱法维等，通过8根圆钢管混凝土柱试验数据，在Park-Ang损伤模型的基础上，根据实验研究结果，通过修改耗能因子，使其损伤模型适用于钢
管混凝土结构，为进一步深入地研究钢管混凝土的地震损伤提供了十分重要的基础；学者郭蓉通过方钢管混凝土柱的滞回性能特点，分析了构件破坏时的累积滞回耗能，基于双参数Park-Ang损伤模型，通过回归分析给出了适合方钢管混凝土柱的双参数损伤模型。
随着塑性力学的发展，非线性有限元学科逐步成熟。隋海燕通过拟静力试验，进行了圆钢管高强混凝土柱低周疲劳性能的试验研究，在此基础上对圆钢管混凝土柱进行了非线性有限元分析，并对低周疲劳寿命的预测方法进行了研究，最后对钢管混凝土框架柱等幅低周疲劳损伤寿命预测的理论公式进行了初步研究。P.Gajalakshmi通过钢管混凝土柱低周疲劳试验，提出了基于疲劳性能的圆钢管混凝土柱的初步损伤模型。
3存在的问题及改进建议
现有的CFST损伤模型主要分为两种，第一种是基于Park-Ang损伤模型，通过钢管混凝土低周反复试验简单拟合了耗能因子，未改变模型中参数的线性组合方式。从计算结果上看，拟合耗能因子弱化了能量项累积损伤破坏作用，而线性组合方式则导致了模型计算结果发散。在使用Park-Ang模型计算钢筋混凝土柱损伤指数时也存在损伤指数发散的问题，因而国内外学者从参数选择和组合方式对Park-Ang模型做了很多的改进工作，但由于钢管混凝土柱与钢筋混凝土柱力学性能上的差异，还未见对CFST柱损伤模型改进损伤指数计算发散方面的研究，因此有必要针对钢管混凝土柱损伤模型存在问题，扩展参数范围，建立合理的损伤模型。
第二种为基于疲劳性能的损伤模型，通过预测构件在各个工况下的疲劳寿命，再根据具体加载方式计算构件损伤。使用该种模型进行损伤计算的前提是构件疲劳寿命预估合理，由于各位学者的预测公式针对自身的构件预测效果好，但彼此间研究成果却无法相互验证，离散性较大。出现该问题主要是由于现有关于钢管混凝土柱的疲劳性能研究较少，构件各个参数对构件疲劳性能研究还不充分，制约了该类模型的发展。因此，在无法保证构件疲劳寿命预估合理的前提下，基于疲劳性能的损伤模型无法进行推广应用。
由于现有研究还无法保证CFST构件疲劳寿命预估合理性，影响了第二种损伤模型的应用。故本文拟在第一种损伤模型基础上，结合收集的54个圆钢管混凝土柱试验数据，根据钢管混凝土柱在低周反复与低周疲劳作用下的破坏现象以及试验数据，建立适用于钢管混凝土柱的双参数简易损伤模型。
4损伤状态与损伤指数对应关系
为了评估钢管混凝土柱的实际损伤状态，此次共收集到54个钢管混凝土柱实验，其中低周反复实验36个，低周疲劳实验18个。试件长细比涵盖范围为6~55，集中区段为12~36；试件轴压比涵盖范围为0~1，集中区段为0.2~0.8；试件混凝土强度涵盖范围为C40~C80。图1给出了构件数量按构件长细比和轴压比划分的分布情况。
图1构件按长细比与轴压比分类柱状图
结合收集到的钢管混凝土柱试件损伤破坏过程，从试件承载力、侧移率（侧移与柱高之比）、钢管破坏情况划分CFST破坏状态（见图2），分析结果如下：OA段，构件加载至钢管开始屈服，荷载与位移曲线由线性增长开始出现转折点，此阶段钢管混凝土柱侧移率一般小于1%；AB段，随着加载进行，钢管由局部屈服到全面屈服，构件承载力逐步增大，此阶段侧移率介于1%~2%；BC段，钢管完全屈服后，钢管出现局部屈曲，并沿环向发展，承载力达到最大，基本保持恒定，此阶段侧移率介于2%~6%；CD段，钢管柱脚环向鼓曲形成，钢管对混凝土约束达到极限，随后钢管出现裂缝，无法对混凝土提供有效约束，承载力开始明显下降，管内混凝土此时已经压碎，侧移率介于6~8%。
图2钢管混凝土柱骨架曲线
本文以钢管破坏作为主要参考项，宏观指标如侧移、承载力等作为辅助项，定义钢管混凝土柱损坏程度，并参考抗震规范地震破坏分级与损失评估方法，建立钢管混凝土柱破坏现象与损坏程度关系，如下表所示。
表1钢管混凝土柱破坏现象与损坏程度关系
5损伤参数可行性评估
构件损伤模型是通过构件的性能参数变化来反映构件的破坏情况。从骨架曲线上看，在弹性阶段，构件力位移曲线线性增长，随后构件进入屈服，力位移曲线出现转折，构件的刚度开始出现退化。随着荷载的加剧，构件进入不同破坏状态，骨架曲线上B、C、D三点的割线刚度退化越来越明显，反映出低周反复作用下钢管混凝土柱强度退化的情况。
另外，在钢筋混凝土构件损伤模型研究过程中，国内外学者结合损伤力学的概念以及试验数据已经验证刚度退化作为损伤参数的合理性。然而在等侧移疲劳试验中，随着推覆次数的增加，构件滞回耗能不断累加，而刚度退化并不明显，仅以刚度退化无法反映出由于累积损伤导致钢管混凝土柱的失效破坏。为了考虑构件的累积损伤，学者们分别从构件疲劳性能与累积滞回耗能两方面入手。但是由于现有CFST疲劳寿命预估合理性还无法保证，故本文考虑以刚度退化反映构件首次超越破坏，结合滞回耗能反映构件累积损伤破坏，建立钢管混凝土柱损伤模型，以适用于低周反复与低周疲劳作用下CFST损伤评估。
6损伤模型提出
由于结构大的非弹性变形引起的破坏和低周累积损伤破坏可能是同时存在的，合理的破坏模型应以适当的方式来组合这两种破坏形式并尽可能多的给出可以反映破坏的信息量，组合式如下：
S=S1+S2×（1-S1）
式中S1为最大变形反应对应的破坏指数，S2为反映累积破坏效应（耗能）的破坏指数。由上式可知，当S1较小时，破坏主要由耗能控制；S2较大时，破坏主要由变形控制的破坏机理。
参考文献：
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