引言
得益于钢管与内部混凝土之间的协同作用，钢管混凝土（CFST）构件具有较高的承载能力、较低的自重和优良的延展性。这使得它们被广泛用作土木工程中的垂直承重构件[[1], [2], [3]]。在长期使用过程中，这些柱子容易受到诸如火车脱轨、船舶碰撞和岩石坠落等意外侧向冲击的影响。这种高风险的极端载荷容易引发严重的柱子失效或整体结构倒塌，危及人身安全和财产[[4], [5], [6]]。因此，研究CFST构件在横向冲击下的动态力学响应和冲击阻力具有重要的实际意义。
大量的实验和有限元分析（FEA）已经证实，CFST柱在横向冲击下通常表现出失效应变模式[[7], [8], [9], [10]]。根据损伤程度，失效应变可以分为三种类型：轻微的弯曲变形而没有截面裂缝、部分截面开裂，以及贯穿整个截面的完全断裂[[11], [12], [13], [14], [15], [16]]。为了识别失效模式，以往的研究提出了基于冲击力平台系数的经验方法[[10]]、理论研究[[17]]以及使用机器学习算法的数据驱动预测框架[[18,19]]。所有这些提出的识别和预测方法都忽略了轴向载荷的影响，即它们仅适用于轴向载荷比为0的情况。参数分析还系统地阐明了冲击能量[[20], [21], [22], [23]]、钢材比例[[24,25]]、钢材强度[[26], [27], [28]]和截面尺寸[[29], [30], [31]]对动态响应特性的影响。从位移演变、冲击力历程和能量 dissipation 特性的角度全面讨论了潜在的响应机制[[32,33]]。对于在横向冲击下没有完全断裂的CFST构件，通常采用基于回归的位移评估[[34]]、平台冲击力[[26,35]]和残余承载能力[[27]]来进行定性评估，以判断冲击引起的损伤。
作为主要的垂直承重构件，CFST柱在实际工程中承受着相当大的轴向载荷。在实际基础设施中，轴向载荷比率经常超过0.6。典型的例子包括交通导向发展（TOD）高速站的结构柱、高层建筑的底层CFST柱以及多层城市立交桥的CFST桥墩。特别是，城市立交桥墩直接暴露在外，极易受到车辆碰撞的影响。现有的关于轴向载荷和横向冲击联合效应的研究主要集中在轻微载荷情况下[[23,36]]，其中试件主要经历整体弯曲变形[[33,37,38]]。尽管观察到轴向载荷比率与冲击阻力之间存在非单调关系，但在高轴向载荷和强烈冲击下的不稳定驱动失效机制仍然知之甚少[[35]]。很少有研究致力于探索轴向载荷和严重横向冲击的耦合效应。这种极端载荷组合会导致过度的横向位移，从而容易引发CFST柱的不稳定和灾难性结构倒塌[[5,39]]。目前，识别不稳定失效的系统标准尚未建立。
等效质量-弹簧模型有助于分析推导柱子的冲击响应[[40,41]]。冲击物和有效柱体质量被视为集中质量，而接触相互作用和构件弯曲被理想化为弹性弹簧，形成一个两自由度（2-DOF）系统。忽略接触刚度则将系统进一步简化为单自由度（SDOF）振荡器。这种建模框架已被广泛用于承受跨中横向冲击的简支钢筋混凝土（RC）梁。Li等人[[42]]通过2-DOF动态拟合校准了一个简化的冲击力模型。Zhao等人[[43]]将该框架扩展到三自由度（3-DOF）方案，将剪切变形量化为损伤指标。结合几何缩放定律和2-DOF框架，Li等人[[44]]进一步开发了一个实用的设计程序。Jia等人[[36,45]]进一步考虑了轴向载荷对简支RC梁在跨中横向冲击下的影响。对于CFST构件，Zhao等人[[33,46]]采用了SDOF模型来研究钢混凝土复合结构的动态性能。
目前关于CFST柱在横向冲击下的研究存在三个主要的研究空白。首先，大多数实验和数值分析集中在承受零或低轴向载荷的试件上，这些试件 hanya 经历轻微的弯曲变形或轻微开裂。高轴向载荷和高冲击能量耦合引起的不稳定失效很少被报道。其次，现有的分析主要集中在承受跨中冲击的简支构件上。在实际工程中，结构柱采用固定-滑动边界条件，基底由基础约束，顶部由上部结构限制。来自岩石、车辆或船舶的冲击载荷通常作用在非跨中位置。这种载荷条件在以往的文献中探讨得不够充分。第三，缺乏在同时承受轴向载荷和横向冲击下的有效失效模式识别方法，这阻碍了从CFST柱不稳定性出发的早期识别结构倒塌风险。
为了填补这些研究空白，本研究调查了在非跨中横向冲击和轴向载荷联合作用下的CFST柱。经过验证的数值模型描述了失效模式的梯度转变，并揭示了轴向载荷的双向竞争机制，重点研究了在高轴向载荷下的不稳定驱动灾难性失效。建立了一种捕获全范围损伤进展的三线性动态抗力-位移本构模型，并提出了一种基于能量的等效侧向力方法，用于处理静不定构件中的二阶效应。进一步建立了一个改进的2-DOF框架，用于量化临界不稳定位移并识别不稳定失效。这项研究为抗冲击设计和评估轴向载荷下的CFST柱提供了实用的基础。
