超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete,简称UHPC)作为一种新型高强水泥基复合材料,自问世以来就以超高的强度、良好的耐久性受到人们的关注,成为21世纪新型混凝土材料的发展方向。将UHPC灌入钢管中组成钢管UHPC,一方面钢管约束核心UHPC的受力变形,改善脆性,进一步提高强度;另一方面钢管内填充混凝土,能够延缓或避免钢管过早地发生局部屈曲,充分发挥钢材的力学性能。钢管超高性能混凝土可以适应现代工程结构向高耸、大跨、重载方向发展和承受恶劣条件的需要,特别适用于超高层建筑、高耸结构、大跨桥梁、抗爆结构、薄壁结构以及高磨蚀、高腐蚀环境的结构。目前钢管超高性能混凝土构件研究主要集中在圆形截面,方钢管UHPC研究成果鲜见报道,其轴心受压受力性能与工作机理尚不明确,轴心受压极限承载力计算方法不够成熟。本文依托国家自然科学基金重点项目(51738011),采用试验研究与数值模拟相结合的方法,对方钢管UHPC短柱轴心受压性能、工作机理与承载力进行深入研究。主要研究工作及成果如下:(1)通过轴心受压试验,实测了荷载—变形曲线和荷载—应变曲线,考察了试件的破坏形态。研究表明,破坏类型主要与截面宽厚比和套箍系数有关,均为强度破坏,主要分为两类:当B/T≥14.3,1.149≤θ≤2.258时,轴压短柱试件发生腰鼓型破坏,当B/T≤10,2.495≤θ≤6.070时轴压短柱试件发生整体墩粗破坏。所有试件表现出很好的变形能力,UHPC的脆性问题得到很好解决。(2)通过有限元分析了试件受压全过程的受力阶段以及特征点处钢管和混凝土的应力变化规律,阐明了方钢管UHPC短柱轴心受压工作机理。研究表明:方钢管超高性能混凝土短柱轴心受压全过程主要分为弹性阶段、弹塑性阶段、荷载下降阶段、平稳阶段;达到极限承载力时,钢管全截面应力达到其屈服应力,混凝土纵向应力达到其轴心抗压强度,方钢管UHPC的弹性阶段较普通钢管混凝土的长,弹塑性阶段钢管与核心UHPC相互作用较普通钢管混凝土的弱。(3)在试验研究的基础上,采用有限元软件ABAQUS进行因素拓展分析,分析了混凝土强度、截面宽厚比和钢材强度对构件承载力的影响规律。研究表明,核心混凝土轴心抗压强度从80MPa增加到200MPa,极限承载力分别提高了 5.92%、14.0%、22.70%、41.75%,基本呈线性增长趋势;截面宽厚比从33.3减小到6.3,极限承载力分别提高了 33.37%、55.28%、70.05%、106.13%,提高的幅度逐渐增大;钢材屈服强度从Q235提高到Q460,极限承载力分别提高了 21.31%、30.06%、35.88%、43.63%,呈线性增长趋势。(4)综合分析试验结果和有限元模拟结果,并结合国内外钢管混凝土相关规范,提出了方钢管UHPC短柱轴心受压强度承载力计算公式,可为工程设计提供参考。