新型防脫空預(yù)制方鋼管混凝土柱軸壓性能試驗(yàn)研究及有限元分析

DOI：10.3969/j.issn.10001565.2025.02.002

摘" 要：為解決方鋼管混凝土柱施工過(guò)程中出現(xiàn)的鋼管與混凝土界面脫空問(wèn)題，提出一種后澆自密實(shí)灌漿料的預(yù)制方鋼管混凝土柱，通過(guò)軸壓試驗(yàn)研究其力學(xué)性能和破壞模式，并提出其軸壓承載力計(jì)算公式，參數(shù)化分析預(yù)留縫隙厚度、后澆灌漿料強(qiáng)度等因素對(duì)該新型防脫空預(yù)制方鋼管混凝土柱軸壓性能的影響規(guī)律.結(jié)果表明：澆筑自密實(shí)灌漿料的預(yù)制方鋼管混凝土柱能夠有效避免界面脫空現(xiàn)象的出現(xiàn)，且極限承載力高于相同強(qiáng)度等級(jí)現(xiàn)澆鋼管混凝土柱，20 mm預(yù)留縫隙使用C40灌漿料后，其承載力約提升4%，峰值荷載對(duì)應(yīng)位移更大，試件變形能力得到提高；提高后澆灌漿料強(qiáng)度等級(jí)可以有效提高其軸壓性能，選取C40灌漿料時(shí)相比選用C30灌漿料極限承載力可提高4.65%.

關(guān)鍵詞：防脫空預(yù)制方鋼管混凝土柱軸壓性能；界面脫空；有限元分析

中圖分類(lèi)號(hào)：TU398.9""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A""" 文章編號(hào)：10001565（2025）02012308

Experimental study and finite element analysis of axial compressive properties of new anti-void precast square concrete-filled steel tube columns

GUO Jiayi1， YAN Xiangyu1，2， ZHANG Haoze1， CHEN Zhihua1， BAI Chengjun1

（1. School of Civil Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. Institute of Ocean Energy and Intelligent Construction， Tianjin University of Technology， Tianjin 300384，China）

Abstract： In order to solve the interface defects problem of concrete-filled square steel tubular（CFSST） column， post-poured CFSST column is proposed in this paper. The axial compression tests on specimens were conducted to investigate the failure pattern and the bearing capacity，and the formula for calculating its axial compressive capacity is presented. The finite element analysis considering the parameters such as reserved gap thickness and different self-compacting concrete strength were carried out to study the axial compression performance to prevent interface cavitation defects. The results indicate that precast square steel-reinforced concrete columns cast with self-compacting concrete strength can effectively avoid the occurrence of interface voids. The ultimate bearing capacity is higher than that of current CFSST with the same strength grade. For example， using a 20mm reserved gap and C40 concrete， the bearing capacity is increased by approximately 4%， and the peak load corresponds to a larger displacement. The deformation capacity of the specimens is improved. Increasing the strength grade of the concrete can effectively enhance its axial compression performance. When choosing C40 concrete， the ultimate

收稿日期：20240606;修回日期：20241111

基金項(xiàng)目：

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2019YFD1101005）

第一作者：郭家逸（2000—），男，天津大學(xué)在讀碩士研究生，主要從事組合結(jié)構(gòu)方向研究.E-mail：guojy23@qq.com

通信作者：閆翔宇（1980—），男，天津大學(xué)高級(jí)工程師，博士，主要從事鋼結(jié)構(gòu)、空間結(jié)構(gòu)和組合結(jié)構(gòu)等方向研究.

E-mail：yanxy@email.tjut.edu.cn

方鋼管混凝土柱作為組合受力構(gòu)件，鋼管和混凝土協(xié)同受力使其具有承載力高、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際工程中得到廣泛應(yīng)用，但由于振搗不充分、塌落不暢等因素導(dǎo)致構(gòu)件在施工過(guò)程中出現(xiàn)蜂窩、孔洞或界面脫空［1］等缺陷.此外，水泥在凝結(jié)硬化過(guò)程中發(fā)生化學(xué)收縮現(xiàn)象、混凝土比鋼管壁的溫度膨脹系數(shù)小等原因會(huì)造成脫粘現(xiàn)象.已有研究表明鋼和混凝土截面缺陷會(huì)對(duì)構(gòu)件的承載力、延性等力學(xué)指標(biāo)產(chǎn)生不利影響.

為了避免這種不利影響，很多學(xué)者開(kāi)展了界面脫空缺陷防治的研究［2-8］.目前針對(duì)鋼管混凝土界面缺陷最有效且工程中最為常用的一種脫空補(bǔ)救做法是二次灌漿法.文獻(xiàn)［9-10］中對(duì)二次灌漿后的構(gòu)件性能與脫空前試件進(jìn)行了對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)構(gòu)件二次灌漿后基本能恢復(fù)原來(lái)的力學(xué)性能.二次灌漿選取的材料一般為較高強(qiáng)度的水泥砂漿、改性環(huán)氧砂漿等一些流動(dòng)性好的材料，能夠使鋼管與混凝土重新有效粘結(jié)，但由于材料自身特性還有可能再次發(fā)生脫空［11］，因此在二次灌漿后某些地方還要用超聲波儀器重新對(duì)其密實(shí)程度進(jìn)行檢測(cè).此外，混凝土的收縮徐變是產(chǎn)生界面缺陷的原因之一，胡曙光等［12］考慮在混凝土中添加膨脹劑補(bǔ)償混凝土的收縮徐變，結(jié)果表明，加入適量的膨脹劑可以較為明顯地提高鋼管混凝土構(gòu)件的承載能力；韓林海等［13］提出采用高性能混凝土可以大大減小鋼管內(nèi)混凝土的收縮變形，改善其力學(xué)性能；李?lèi)偟龋?4］提出在鋼管內(nèi)布置栓釘可以加強(qiáng)鋼管對(duì)混凝土的約束效應(yīng)，改善其承載力性能和延性.

綜上所述，當(dāng)前針對(duì)界面脫空的防治進(jìn)行了一系列的研究并取得了一些成果，主要集中在計(jì)算理論、材料改良、改進(jìn)施工措施等傳統(tǒng)思路，有必要針對(duì)方鋼管混凝土柱的脫空缺陷防治措施開(kāi)展新型構(gòu)件的研究探索.因此本文提出一種新型防脫空預(yù)制方鋼管混凝土柱，其中間部分為預(yù)制混凝土柱，相比現(xiàn)澆混凝土柱具有性能穩(wěn)定、施工便捷的優(yōu)點(diǎn)，預(yù)制混凝土柱與鋼管之間的縫隙采用自密實(shí)灌漿料填充，自密實(shí)無(wú)收縮灌漿料操作簡(jiǎn)單，流動(dòng)性好，可以在重力作用下完全填充空隙區(qū)域，微膨脹性可以保證方鋼管與核心混凝土之間有效緊密粘結(jié)，以期充分發(fā)揮混凝土與鋼管組合受力的特點(diǎn).本文通過(guò)構(gòu)件軸壓試驗(yàn)和有限元數(shù)值模擬開(kāi)展新型防脫空預(yù)制方鋼管混凝土柱的軸壓性能研究，旨在為防治方鋼管混凝土構(gòu)件脫空問(wèn)題提出新的解決方法和思路.

1" 預(yù)制方鋼管混凝土柱軸壓試驗(yàn)

1.1" 試件設(shè)計(jì)及制作

本文提出的新型防脫空預(yù)制方鋼管混凝土柱在天津建工科技有限公司進(jìn)行制作，共設(shè)計(jì)加工4根方鋼管混凝土柱，其中2根為現(xiàn)澆鋼管混凝土柱，2根為新型防脫空預(yù)制方鋼管混凝土柱.新型防脫空預(yù)制方鋼管混凝土柱的制作過(guò)程：在現(xiàn)場(chǎng)將預(yù)制方形混凝土柱居中放入方鋼管內(nèi)，在縫隙內(nèi)澆筑高強(qiáng)自密實(shí)無(wú)收縮灌漿料，澆筑時(shí)利用微型電動(dòng)高壓注漿機(jī)進(jìn)行壓漿操作，遵循從下往上灌注的原則，利用頂升法原理以保證灌注的密實(shí)性，在灌注過(guò)程中隨時(shí)保持對(duì)方鋼管側(cè)壁進(jìn)行敲擊檢查，制作過(guò)程如圖1所示.

試驗(yàn)所用方鋼管截面為200 mm×200 mm，鋼管壁厚10 mm，鋼管高600 mm.試件1與試件2為預(yù)先支模澆筑140 mm×140 mm×600 mm的C30混凝土柱，放入方鋼管中用C40自密實(shí)無(wú)收縮灌漿料澆筑空隙區(qū)域，試件設(shè)計(jì)的脫空縫隙為20 mm，涵蓋了工程中的極端情況，本試驗(yàn)旨在考察最不利情況下的試驗(yàn)效果.試件3、4為現(xiàn)場(chǎng)用C40混凝土、C30灌漿料自密實(shí)無(wú)收縮灌漿料灌注填充在方鋼管內(nèi)，試件主要參數(shù)見(jiàn)表1.

1.2" 材料性能

試件鋼管材質(zhì)均為Q355鋼材，依據(jù)文獻(xiàn)［15］的規(guī)定進(jìn)行材性試驗(yàn)，從方鋼管側(cè)壁中央取樣，主要測(cè)量鋼材的屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度，鋼材力學(xué)指標(biāo)實(shí)測(cè)值如表2所示.

將C30商品混凝土及C40灌漿料制作試塊，置于試件所處相同環(huán)境下養(yǎng)護(hù)，依據(jù)文獻(xiàn)［16］抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法在300 t油泵式壓力機(jī)進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試，力學(xué)性能指標(biāo)見(jiàn)表3.

1.3" 試驗(yàn)加載方案及測(cè)量方案

本次試驗(yàn)中采用天津城建大學(xué)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室的2 000 t壓力試驗(yàn)機(jī)，保證試件處于試驗(yàn)機(jī)的正中心位置，進(jìn)行預(yù)加載以測(cè)試試驗(yàn)裝置是否安裝正確且能夠正常工作.

本次試驗(yàn)采用荷載控制加載和位移控制加載的組合方式進(jìn)行.試驗(yàn)前期采用壓力控制的分級(jí)加載制，試驗(yàn)后期則采用位移控制的加載制，開(kāi)始加載時(shí)，以1 kN/s均勻加載，每級(jí)

為360 kN，每級(jí)加載持續(xù)2 min.鋼管屈服后以1 mm/min的速度進(jìn)行位移加載，當(dāng)曲線達(dá)到峰值開(kāi)始下降且較為平緩后，為盡快達(dá)到破壞，加載速度調(diào)整為2 mm/min，當(dāng)試件發(fā)生明顯變

形破壞時(shí)停止加載，得到試件全過(guò)程試驗(yàn)數(shù)據(jù).

各試件環(huán)向4面各布置1個(gè)位移計(jì)以監(jiān)測(cè)各面位移情況，在試件外部架設(shè)1個(gè)位移計(jì)頂在上下壓力板表面，監(jiān)測(cè)構(gòu)件整體絕對(duì)位移，采用電阻應(yīng)變片監(jiān)測(cè)試驗(yàn)過(guò)程中外部方鋼管的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài).

1.4" 承載力計(jì)算

目前關(guān)于方鋼管混凝土柱的力學(xué)性能研究成果較為豐富，國(guó)內(nèi)外已有多種規(guī)范規(guī)定了方鋼管混凝土柱的承載力計(jì)算方法.

由于本文提出的新型防脫空預(yù)制方鋼管混凝土柱是一種新型構(gòu)件，尚未有具體的計(jì)算方法，參考極限平衡理論的疊加原理，提出下列承載力計(jì)算公式

Ny=Asfsy+Ac1fcy1+Ac2fcy2，（1）

其中：Ny為試件的屈服承載力；As為鋼管截面面積；fsy為鋼材屈服強(qiáng)度；Ac1、Ac2分別為預(yù)制混凝土柱和灌漿料的橫截面面積；fcy1、fcy2分別為預(yù)制混凝土柱和灌漿料的軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值.

2" 試驗(yàn)現(xiàn)象與分析

2.1" 試件破壞過(guò)程

試件開(kāi)始加載后，荷載位移按比例增長(zhǎng)，該過(guò)程屬于彈性階段，當(dāng)荷載達(dá)到2 160 kN左右時(shí)鋼管首先屈服，構(gòu)件進(jìn)入彈塑性狀態(tài)，將壓力試驗(yàn)機(jī)改為位移控制，持續(xù)加載至試件達(dá)到極限承載力.加載過(guò)程中可以看到試件1、2的極限承載力明顯大于試件4，略小于試件3.繼續(xù)加載至試件發(fā)生較大鼓曲變形，基本喪失承載力，達(dá)到破壞狀態(tài).

試件1～4在軸壓試驗(yàn)中均表現(xiàn)出較好的力學(xué)性能，破壞形態(tài)比較類(lèi)似，試件均發(fā)生腰鼓型破壞，并且較大的塑性變形均發(fā)生在試件到達(dá)極限承載力之后，表現(xiàn)出較好的延性.試件破壞形態(tài)如圖2所示.

2.2" 荷載-位移曲線

綜合對(duì)比試件的荷載-位移曲線（圖3）可知：1）試件1～4在試驗(yàn)過(guò)程均有較明顯的彈性階段、塑性階段和破壞階段；2）新型防脫空預(yù)制方鋼管混凝土柱的極限承載力大于C30現(xiàn)澆方鋼管混凝土柱，相差約4%，峰值荷載對(duì)應(yīng)位移明顯更大，試件變形能力大幅提高；3）新型預(yù)制方鋼管混凝土柱的曲線下降段更平穩(wěn)，展現(xiàn)出良好的延性.

表4給出了新型防脫空預(yù)制方鋼管混凝土柱的屈服承載力理論計(jì)算值（Nu）與試驗(yàn)結(jié)果（Nue）對(duì)比，最大偏差為7.27%，平均誤差為6.91%，說(shuō)明理論計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，且保留一定安全儲(chǔ)備.

3" 新型防脫空預(yù)制方鋼管混凝土柱有限元模型建立及驗(yàn)證

采用有限元軟件ABAQUS模擬方鋼管混凝土柱，選取S4R殼單元即4節(jié)點(diǎn)減縮積分單元模擬鋼管，選取C3D8R實(shí)體單元模擬混凝土，鋼管和內(nèi)部核心混凝土采用表面-表面接觸，鋼管內(nèi)表面定義為主面，混凝土外表面定義為從面，方鋼管與混凝土表面情況選擇小滑移計(jì)算方法.鋼管和混凝土界面法向接觸采用硬接觸模型來(lái)定義，鋼管和內(nèi)部混凝土的切向接觸采用庫(kù)侖摩擦模型.限制頂部端板x、y、z 3個(gè)方向的位移以及y、z向的轉(zhuǎn)角；底部端板釋放z向的位移，限制x、y向的位移和y、z向的轉(zhuǎn)角.混凝土與后澆灌漿料之間設(shè)置為表面-表面接觸，文獻(xiàn)［17］對(duì)于混凝土表面摩擦系數(shù)μ的規(guī)定，本試件取μ=0.6.對(duì)于自密實(shí)灌漿料與預(yù)制混凝土柱之間的界面粘結(jié)剪切強(qiáng)度取值參考柴敏等［18］提出的計(jì)算公式

τb=0.75 α1α2α3（fcft）0.5，（2）

其中：τb為后澆灌漿料與預(yù)制混凝土界面粘結(jié)強(qiáng)度；α1為自密實(shí)混凝土

強(qiáng)度影響系數(shù)，當(dāng)強(qiáng)度為C25、C30時(shí)，α1=0.42，當(dāng)強(qiáng)度為C35、C40時(shí)，α1=0.4；

α2為粘結(jié)劑影響系數(shù)，α2=1；α3為刻槽密度影響系數(shù)，α3=1；

fc為預(yù)制混凝土抗壓強(qiáng)度值；ft為預(yù)制混凝土抗拉強(qiáng)度值.

鋼材本構(gòu)模型的相關(guān)參數(shù)具體計(jì)算公式見(jiàn)文獻(xiàn)［19］，依據(jù)材性試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立的本構(gòu)關(guān)系見(jiàn)圖4.

方鋼管約束下的核心混凝土處于三向應(yīng)力狀態(tài)，經(jīng)有限元計(jì)算發(fā)現(xiàn)，本文所采用方鋼管混凝土含鋼率較高，對(duì)于混凝土的強(qiáng)度有不可忽略的影響，故本文采用文獻(xiàn)［20］中所用的受壓本構(gòu)對(duì)本次試驗(yàn)進(jìn)行模擬，對(duì)于核心混凝土受壓應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，最終選取基于Mander等［21］提出的鋼管約束混凝土本構(gòu)的修正模型.混凝土采用基于塑性的損傷模型，依據(jù)材性試驗(yàn)數(shù)據(jù)，本文采用GB 50010—2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中的素混凝土拉應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)模型定義混凝土的受拉軟化準(zhǔn)則.本文采用的混凝土本構(gòu)關(guān)系如圖5所示.

為了驗(yàn)證預(yù)制方鋼管混凝土軸壓柱模型準(zhǔn)確性，將有限元計(jì)算得到的破壞模式和荷載-位移曲線與試件1、2試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖6所示.從圖6可知模擬結(jié)果與試驗(yàn)破壞形態(tài)基本吻合，均為局部鼓曲的破壞.

圖7為試件1、2的試驗(yàn)結(jié)果與采用ABAQUS數(shù)值分析的新型防脫空預(yù)制方鋼管混凝土柱受壓荷載-位移曲線對(duì)比，有限元模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果具有類(lèi)似的彈性階段、彈塑性階段、屈服階段和

破壞階段，曲線趨勢(shì)基本吻合，有限元模擬極限承載力為4 406.71 kN，與試件1和試件2的極限承載力試驗(yàn)平均值4 304.12 kN相比，誤差為2.3%，破壞后期曲線有一定出入，可能為模型中混凝土壓碎后堆積壓實(shí)繼續(xù)受力，屬于誤差允許范圍內(nèi)，因此認(rèn)為本文建立的預(yù)制方鋼管混凝土柱軸壓模型模擬結(jié)果良好，基于該模型開(kāi)展預(yù)制方鋼管混凝土柱極限承載力研究是可靠的.

4" 有限元分析

本文通過(guò)試驗(yàn)研究了預(yù)留縫隙為20 mm的預(yù)制方鋼管混凝土柱的軸壓性能，并驗(yàn)證了有限元模型的準(zhǔn)確性，基于上述有限元模型開(kāi)展界面不同預(yù)留縫隙厚度、不同后澆灌漿料強(qiáng)度等級(jí)對(duì)于構(gòu)件極限承載力影響的研究.

4.1" 不同預(yù)留縫隙寬度對(duì)于極限承載力的影響

為研究新型防脫空預(yù)制方鋼管混凝土柱不同預(yù)留縫隙寬度對(duì)于構(gòu)件極限承載力的影響，設(shè)計(jì)模型進(jìn)行對(duì)比模擬分析，模型均采用C30混凝土和C40灌漿料，具體數(shù)據(jù)及極限承載力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5.

綜合表5和圖8分析可得，新型防脫空預(yù)制方鋼管混凝土柱的荷載位移曲線與現(xiàn)澆方鋼管混凝土柱趨勢(shì)基本一致，說(shuō)明其與現(xiàn)澆方鋼管混凝土柱具有類(lèi)似的力學(xué)性能.同時(shí)可以明顯看到，構(gòu)件的極限承載力隨著預(yù)留縫隙厚度的增大而增大，說(shuō)明灌漿料與預(yù)制混凝土柱可以較好地共同受力，因此在實(shí)際工程中可以根據(jù)實(shí)際情況采用容易獲取的預(yù)制方鋼管混凝土柱，可以避免方鋼管混凝土柱內(nèi)混凝土現(xiàn)場(chǎng)澆筑過(guò)程中振搗、排氣等不利因素可能導(dǎo)致的脫空.

模型的峰值承載力的隨縫隙寬度加大逐漸提高，是由于較高強(qiáng)度的灌漿料所占比例提高，抗壓強(qiáng)度更大，同時(shí)與預(yù)制混凝土柱相互粘結(jié)，協(xié)同受力效果更好.

4.2" 不同后澆灌漿料強(qiáng)度等級(jí)對(duì)于構(gòu)件極限承載力的影響

建立2個(gè)不同灌漿料強(qiáng)度等級(jí)的有限元模型，并與C30現(xiàn)澆方鋼管混凝土柱模型進(jìn)行對(duì)比.灌漿料強(qiáng)度等級(jí)分別選取C30、C40，預(yù)留縫隙寬度均為20 mm，荷載-位移曲線如圖9所示.

從圖9可知當(dāng)選取C30灌漿料時(shí)，構(gòu)件的極限承載能力與現(xiàn)澆混凝土試件相比略有提升，選取C40灌漿料時(shí)極限承載力提高4.65%.同時(shí)可以看到新型后澆自密實(shí)灌漿料方鋼管混凝土柱彈性階段的荷載-位移曲線斜率明顯更大，初始剛度提高，因?yàn)楣酀{料對(duì)預(yù)制混凝土柱產(chǎn)生更強(qiáng)的約束作用，限制其初始變形的產(chǎn)生.

5" 結(jié)論

開(kāi)展了新型防脫空預(yù)制方鋼管混凝土柱的軸壓試驗(yàn)，探究了其軸壓狀態(tài)的受力過(guò)程、破壞模式及荷載-位移曲線，提出了軸壓承載力計(jì)算公式，基于試驗(yàn)結(jié)果建立了其軸壓模型，驗(yàn)證了其準(zhǔn)確性，并對(duì)預(yù)留縫隙寬度及后灌漿料強(qiáng)度等級(jí)等參數(shù)的影響開(kāi)展分析，得出了以下結(jié)論：

1）本文所提出的預(yù)制方鋼管混凝土柱與混凝土現(xiàn)場(chǎng)澆筑的方鋼管混凝土柱具有類(lèi)似的軸壓性能，軸壓試驗(yàn)過(guò)程中都有明顯的彈性階段、塑性階段和破壞階段，均發(fā)生局部鼓包的鼓曲破壞，極限承載力均高于現(xiàn)場(chǎng)澆筑的方鋼管混凝土柱.

2）通過(guò)對(duì)不同預(yù)留縫隙寬度和不同后澆灌漿料強(qiáng)度等級(jí)開(kāi)展的有限元分析，可知不同縫隙寬度所制作的預(yù)制方鋼管混凝土柱均具有良好的軸壓性能，選用高于現(xiàn)澆混凝土強(qiáng)度的灌漿料進(jìn)行縫隙的澆筑時(shí)效果更好，如選取C40灌漿料時(shí)試件極限承載力相比選用C30灌漿料提高4.65%.

3）本文通過(guò)試驗(yàn)結(jié)合有限元模擬分析旨在探究預(yù)防、解決方鋼管混凝土柱在使用過(guò)程中可能出現(xiàn)的脫空問(wèn)題，本文的研究成果可以為相關(guān)問(wèn)題解決提供一定的借鑒參考，并可為鋼管混凝土界面缺陷防治提供了新方法和新思路.

參" 考" 文" 獻(xiàn)：

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（責(zé)任編輯：王蘭英）