多腔中空薄壁方鋼管混凝土短柱軸壓性能研究

摘要：為了提升中空夾層鋼管混凝土（concrete-filled double-skin steel tubular，CFDST）短柱的軸壓性能，提出并設計了薄壁方套方中空夾層多腔鋼管混凝土（multi-cavity concrete-filled double-skintubular，MCFDST）短柱，對其軸壓力學性能進行了試驗研究。試驗試件包括15 個方套方MCFDST短柱試件和3 個方套方CFDST 短柱試件。以混凝土抗壓強度、外鋼管寬厚比、空心率和是否設置拉肋為參數，通過分析試件的變形、荷載?位移曲線、破壞現象和延性系數，探究了各參數對試件的極限承載力、失效模式和延性的影響。試驗結果顯示：混凝土抗壓強度從58 MPa 提升至90 MPa，試件承載力提升46%，延性系數最高降低74%；外鋼管寬厚比從39 降低到29，試件承載力提升12.5%，延性系數明顯增大；空心率從0.31 增大到0.38，試件承載力提升了1.3%，延性系數僅提升1%；增設拉肋使構件承載力提升14.2%，延性系數最高提升282%。其次，利用試驗數據驗證了數值建模方法的有效性和模型的正確性，并開展了大量有限元參數分析，討論了現行規范對該短柱軸壓承載力的適用性，發現日本規范AIJ 的預測公式可以精確估計MCFDST 短柱軸壓承載力。

關鍵詞：方套方中空夾層多腔鋼管混凝土短柱；試驗研究；軸壓性能；失效模式；極限承載力；延性系數

中圖分類號：TU 398.9 文獻標志碼：A 文章編號：1000-582X（2025）02-086-16

中空夾層鋼管混凝土柱（concrete-filled double-skin steel tube， CFDST）是在鋼管混凝土柱（concrete filledsteel tube， CFST）的基礎上發展的新型鋼?混凝土組合結構，是由內外鋼管和鋼管之間填充的核心混凝土組成。CFDST 柱具備CFST 柱的強度高、延性好和施工方便等優點[1]。此外，因CFDST 柱雙層鋼管和空心的特殊構造，相比CFST 柱，它還具有自重輕、抗彎剛度高和抗火性能好等特點。因此，CFDST 柱被廣泛運用在高層建筑、大跨度橋梁的橋墩、輸電塔和風力發電塔等大型工程結構中。CFDST 柱可以有多種截面形式，比如：圓形和橢圓形截面[2?5]。相比上述2 種截面，方形和矩形截面的CFDST 柱方便生產且易于節點連接，所以在工程中更受歡迎。不少學者對方形CFDST 柱進行了大量的試驗與數值分析[6?11]，提出了實用的設計方法。但是，方形截面的CFDST 柱在承受軸壓時鋼管的平板處易發生局部屈曲，特別是薄壁鋼管。Tao 等[12-13]和王志濱等[14]采用試驗與有限元方法開展研究，發現焊接縱向加勁肋可以明顯延緩CFDST 柱中鋼管的局部屈曲，顯著提升了構件的整體抗彎剛度。此外，Liang 等[15]在鋼管上焊接縱向平板肋、角鋼和槽鋼來改善CFDST柱力學性能。徐陽[16]將4 塊冷彎薄壁鋼板焊接成外鋼管，形成雙層加勁肋。研究表明，這些加勁方式均有效地延緩了鋼管的局部屈曲，提高了構件的承載能力、抗彎剛度和延性。上述研究只加固了外鋼管或內鋼管，使得加勁肋的利用率受到限制。Shen 等[17]和Ding 等[18]采用冷彎薄壁鋼板組裝的方式，設計了一種新型兩腔CFDST 柱，即一組拉肋在一個水平方向上連接內外鋼管和一組短肋在另一個水平方向上加固外鋼管，這種新型CFDST 柱被稱為中空多腔鋼管混凝土柱（multi-cavity concrete-filled double-skin steel tube， MCFDST）。研究表明，該方法不僅能有效地延緩鋼管的局部屈曲，提升截面的抗彎剛度，提高鋼管和混凝土相互作用，還能使內外鋼管協同作用，提高構件整體穩定性。然而，在短肋方向上，該MCFDST 柱的抗彎剛度相對較弱。

MCFDST 柱是一種新型鋼?混凝土組合柱，對其力學性能的研究較少。筆者創新了一種方套方MCFDST 柱的加工工藝，設計15 個方套方MCFDST 短柱（四腔+雙向拉肋）和3 個方套方CFDST 短柱，開展軸壓力學性能試驗。為進一步了解影響MCFDST 短柱軸壓力學性能的關鍵因素，以混凝土強度、寬厚比、空心率和是否設置拉肋作為變量，研究其對短柱的極限承載力、失效模式和延性的影響。基于試驗結果，驗證有限元建模方法和模型，并開展大量參數分析工作。最后，利用試驗和有限元數據對各國規范的設計公式的預測精度進行評估，為方套方MCFDST 短柱的工程設計提供參考。

1 試件設計及試驗裝置

以混凝土抗壓強度、寬厚比、空心率和是否設置拉肋為變量，共設計3 個CFDST 短柱試件和15 個MCFDST 短柱試件。對于方形截面的鋼管混凝土柱，鋼管對混凝土的約束主要集中在角部，為了防止角部焊縫開裂以及減少焊接殘余應力造成的初始缺陷，將外鋼管角部的鋼材進行冷彎處理，冷彎的回轉半徑為1.5 倍外鋼管的厚度，內鋼管采用無縫鋼管。為了保證軸壓試驗時試件全截面受力均勻，在試件的兩端焊接厚度20 mm，寬度比外鋼管寬度大20 mm 的承壓端板，材質為Q355B 級鋼材。為了防止“象腳”屈曲破壞[18]，在試件兩端設置環向可拆卸的緊箍件。鋼管加工工藝和柱截面形式如圖1 所示。

試驗分3 組進行，G1、G2 分別是柱寬為160 mm和200 mm的MCFDST 短柱試件，G3 是CFDST 短柱試件。為防止構件發生整體屈曲，所有試件的高寬比設計為3[19]。在表1 中，3 個CFDST 試件采用“SS”編號，15 個MCFDST 試件采用“M-SS”編號，“B”為對應試件的備用件。試驗試件的詳細設計參數如表1 所示。