采用超高性能混凝土（UHPC）外包层加固的钢管混凝土（CFST）柱的轴向压缩破坏分析

UHPC包覆CFST中长柱轴压性能研究显示，包覆厚度、配筋率及核心CFST截面形状对其极限承载力提升达116%-191%，但延性降低。数值模型验证表明包覆层在峰值抗力中起主导作用，后期损伤演化促使承载力重分配。基于实验与有限元分析，提出考虑构件长细比和核心截面面积比的简化预测公式，精度优于现行规范方法。

陈宇|郭泽宇|邢志全|吉山宏|赵彦刚|林思琪

教育部北京工业大学城市安全与灾害工程重点实验室，中国北京100124

摘要

由于服务需求的增加或结构的老化，现有的混凝土填充钢管（CFST）构件可能需要加固，这促使人们寻求能够在有限干扰和截面增大的情况下提高承载能力的改造方案。本研究通过实验和有限元（FE）分析相结合的方法，研究了外包超高性能混凝土（UHPC）的CFST中等长度柱的轴向压缩性能。对13个试件（11个加固试件和2个未加固的参考试件）进行了轴向压缩试验和模拟，以评估UHPC外包层的厚度、钢筋配比/箍筋间距以及内部CFST截面配置的影响。结果表明，UHPC外包层显著提高了极限轴向承载能力（相对于未加固的参考试件提高了116%–191%），但通常会降低延性。值得注意的是，所观察到的承载能力提升范围与UHPC外包层厚度、钢筋布置和内部CFST截面配置的变化有关。经过验证的FE分析表明，在所研究的配置条件下，UHPC外包层是峰值抗力的主要贡献者，随着外包层的劣化，载荷会逐渐重新分配到CFST核心。提出了一种简化的预测公式，该公式考虑了构件的细长比和CFST截面面积比，并在研究的参数范围内显示出比现有基于规范的方法更高的预测精度。

引言

混凝土填充钢管（CFST）柱因其高强度、良好的延性和高效的复合效应而在建筑和桥梁结构中得到广泛应用。然而，在实际应用中，由于服务需求的增加、结构的老化或设计要求的变化，现有的CFST构件可能需要加固或升级。因此，需要一种有效的改造方案来提高承载能力和耐久性，同时尽量减少几何形状的改变和施工干扰。

传统的CFST柱加固技术包括钢筋混凝土外包层、钢板外包层和纤维增强聚合物（FRP）约束。尽管这些方法可以有效，但它们可能伴随着一些缺点，如截面显著增大、与腐蚀相关的维护问题或有限的耐火性能。超高性能混凝土（UHPC）具有致密的微观结构和增强的机械性能及耐久性，为外部加固提供了一种有吸引力的选择。在本研究中，通过将钢筋UHPC层浇筑在钢管周围形成UHPC外包层来实现加固，这种加固后的构件被称为UHPC外包CFST柱。

外部外包的CFST构件可以被视为一种特殊的混凝土外包CFST复合柱，其中内部的CFST核心被外部水泥层包围，从而提供了额外的抗力和约束。先前的研究已经报道了混凝土外包CFST复合柱在各种加载条件下的压缩性能[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]，并且也探索了其他约束策略，如FRP加固[10]。同时，大量研究表明UHPC作为结构构件的加固材料具有可行性，能够提高承载能力和耐久性[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]、[25]。更一般地，已经讨论了适用于水泥基系统的稳定位移控制数值方法和不确定性分析方法，这为解释峰值后的响应和材料变异性提供了广泛的方法论基础[26]、[27]。然而，对于UHPC外包CFST柱的研究主要集中在粗壮的构件（例如短柱）上，主要报道了整体载荷-变形响应[43]，而对于中等长度柱的研究相对较少，尽管在这种长度下稳定性效应可能变得不可忽视。

最近关于采用超高强度材料的CFST柱的研究进一步强调，在解释实际细长比范围内的轴向承载能力时，需要明确考虑细长比依赖的稳定性[28]。这些观察结果也适用于UHPC外包CFST柱：随着构件细长比的增加，轴向响应可能会从主要受强度控制转变为越来越受到二阶效应和稳定性相关变形的影响。因此，有必要为中等长度的加固构件建立实验证据，并借助经过验证的数值建模来解释与细长比相关的趋势。同时，目前对于外包层损伤发展过程中各组分的轴向力贡献以及构件达到峰值抗力时的变化，只有有限的研究工作。更清晰地描述这种组分相互作用对于理解失效过程和开发简化的预测方法是有帮助的。

为了解决上述问题，本研究对11个UHPC外包CFST中等长度柱和2个未加固的CFST参考试件进行了轴向压缩实验和数值分析。关键的设计变量包括UHPC外包层厚度、箍筋间距、钢筋配比和内部CFST截面配置。然后开发并验证了一个三维有限元（FE）模型，用于解释失效过程和稳定性相关的响应，并量化加载过程中UHPC外包层与CFST核心之间的轴向载荷分担关系。基于实验证据和经过验证的FE参数数据库，建立了一种简化的预测方法，并讨论了其在实验程序和数值扩展所覆盖的参数范围内的适用性。

测试试件设计

共设计了13个中等长度的柱试件并进行了轴向压缩测试，包括11个超高性能混凝土（UHPC）外包的混凝土填充钢管（CFST）柱和2个参考的普通CFST柱。典型的UHPC外包CFST（UCCFST）试件的详细配置如图2所示，所有试件的完整几何和材料参数总结在表1中。试件命名如下：“CFST”

结构行为和失效模式

试件的失效模式在附图2中进行了说明。在轴向压缩过程中，试件表现出明显的渐进式失效过程。在初始加载阶段，柱子处于弹性状态，没有明显的损伤迹象。当载荷增加到极限载荷的约70%–80%时，柱子末端开始出现微裂纹，同时超高性能混凝土（UHPC）外包层也出现了轻微的剥落现象。

数值模型

本节描述了使用商业FEM软件ABAQUS开发的超高性能混凝土（UHPC）外包混凝土填充钢管（CFST）短柱的有限元模型（FEM）的开发过程，如图8所示

UHPC、核心混凝土和端板采用8节点线性砖元素（C3D8R）进行建模。端板被赋予了足够的刚度以防止变形，以模拟轴向压缩试验的条件。

公式推导

中国标准T/CECS 188-2019[45]提供了一个用于估算混凝土外包混凝土填充钢管（CFST）短柱压缩承载能力的公式：

$$其中 $$ 是减缩系数。当细长比 $$ < 28 时，$$ =1。这里，$$ 表示外层混凝土的设计轴向抗压强度，$$ 是外层混凝土的截面面积，$$ 表示纵向钢筋的设计抗压强度，$$ 是总

结论

本研究通过对加固试件和未加固参考试件的测试，以及经过验证的有限元（FE）模拟，研究了UHPC外包CFST中等长度柱的轴向压缩性能。在本研究的范围和参数范围内，可以得出以下结论：

(1)

通过增加UHPC外包层的厚度和钢筋配比（包括纵向钢筋和箍筋），可以提高轴向承载能力。

作者贡献声明

邢志全：撰写 – 审稿与编辑、资源管理、方法论、研究、资金获取、正式分析、数据管理。吉山宏：指导、软件支持、资源提供。赵彦刚：指导。林思琪：数据可视化、指导。陈宇：撰写 – 原稿撰写、软件使用、项目管理、方法论研究、概念构思。郭泽宇：撰写 – 原稿撰写

未引用的参考文献

[30]。

数据可用性声明

数据可应要求提供。

利益冲突声明

作者严格遵守研究和论文发表的伦理标准。本研究得到了国家自然科学基金（编号52078138）、福建省产学研合作科技创新项目（编号2024Y4013）和福建省住房和城乡建设科技创新计划项目（编号2022-K-298；2023-K-71）的支持。作者声明没有利益冲突。

致谢

本研究得到了北京市自然科学基金朝阳重点项目（编号L259028）、福建省产学研合作科技创新项目（编号2024Y4013）和福建省住房和城乡建设科技创新计划项目（编号2025-K-152）的支持。