关于矩形碳纤维增强混凝土（CFST）构件在双向偏心拉伸载荷下力学性能的实验研究

《Journal of Building Engineering》：Experimental study on the mechanical properties of rectangular CFST members under bidirectional eccentric tensile loading

CFST构件在双向偏心拉伸下的力学性能及极限承载力公式研究。通过14个RCFST和2个HST试件对比试验，分析偏心距、钢材含量、混凝土强度等参数对构件承载力和刚度的影响，发现RCFST因钢-混凝土协同工作效应，其极限承载力计算误差仅为6.1%。

　　

邓宇|鲍润华|应一辉

广西科技大学土木与建筑工程学院，中国广西柳州市，545006

摘要

混凝土填充钢管（CFST）结构在水平荷载作用下并不仅仅是受压构件。工程实践表明，当CFST构件用于风力涡轮机塔架、高层建筑的柱子系统以及长跨度桥梁的塔架或墩柱系统时，它们经常作为受拉构件发挥作用。本文为了研究矩形混凝土填充钢管（RCFST）构件在双向偏心拉伸荷载下的力学性能，对14根矩形混凝土填充钢管（RCFST）构件和2根空心钢管（HST）构件进行了拉伸试验。主要研究参数包括偏心率、钢材含量、混凝土的抗压强度、环向系数以及与x轴的偏心角度。试验结果表明，在双向偏心拉伸荷载下，偏心率的增加和偏心角度的变化都会显著降低具有相同混凝土强度的构件的承载能力和刚度；然而，与空心钢管相比，填充混凝土的构件的承载能力下降程度较小。弯矩与转角之间的关系曲线表明构件处于满载状态。钢管与混凝土之间的相互作用提高了钢管内部的应力水平，构件的平均刚度增加了约48.9%。RCFST构件在双向偏心拉伸荷载下表现出较高的可靠性。核心混凝土的存在为钢管提供了内部支撑，增强了构件的抗拉承载能力。本文确定了双向偏心拉伸构件极限承载能力的计算方法，该极限荷载对应于构件最大变形处形成塑性铰链的时刻。通过采用应力平衡方法并考虑混凝土和钢材在组合荷载下的协同效应，推导出了RCFST构件在双向偏心拉伸下的塑性极限承载能力计算公式。该公式的平均误差约为6.1%，能够相对准确地计算出构件的极限承载能力。

引言

混凝土填充钢管（CFST）构件由于其优异的力学性能而在土木工程中得到广泛应用^[1]。将钢管嵌入混凝土约束层中可以提高构件的整体抗压强度和变形能力，从而显著提升其承载能力。随着社会进步和结构创新，许多研究人员在CFST应用中采用了新型材料^[2]、³或改进的截面形状^[4]、⁵。传统的CFST构件主要采用圆形截面，主要承受压缩力。当CFST构件用作风力涡轮机塔架、高层建筑的柱子系统或桁架弦杆时，在某些情况下也会承受拉力^[14]。然而，在偏心荷载作用下，传统的受拉构件表现出不足的性能。圆形截面的均匀周向约束机制在偏心拉伸力作用下效率低下，无法在高应力区域提供有效的方向性加固。此外，其相对较低的截面惯性矩不利于抵抗偏心拉伸荷载下的关键弯矩分量^[6]。相比之下，RCFST构件具有明确的主弯曲轴，可以根据弯矩方向优化截面布置。虽然其约束效果不均匀，但能够有效加固压缩区。矩形截面便于与梁、板和其他构件直接可靠地连接。通过在压缩区和高应力区域集中更强的约束和更多的材料，它们比传统的圆形截面实现了更好的材料利用和结构性能。对于建筑物而言，使用轻质高强度材料可以降低结构重量，增加可用建筑面积和有效空间，从而降低项目成本。因此，RCFST构件正受到越来越多的研究关注。

已经有很多关于CFST构件在各种压缩荷载条件下力学性能的研究。然而，直到最近几年人们才开始关注CFST构件在拉伸荷载下的力学性能^[7]。Schneider等^[8]和Han等^[9]回顾了CFST构件的当前发展状况。Han等^[10]对受轴向拉伸作用的CFST构件进行了实验和数值研究，发现CFST构件的极限抗拉强度提高了约10%。Han等^[11]实验研究了不锈钢管与内部混凝土之间的粘结行为，表明粘结强度在工程实践中值得重视。Li等^[12]实验研究了双层混凝土填充钢管的偏心拉伸行为。通过对受轴向和偏心荷载作用的拉伸构件进行加载试验，他们发现双层钢管内的混凝土填充物可以产生协同作用，为受拉钢管提供额外的支撑。Zhou等^[13]实验研究了方形混凝土填充钢管的拉伸行为。分析方形混凝土填充钢管在轴向拉伸下的力-位移和应变响应，证实了钢管-混凝土约束效应的存在。Chen等^[14]实验研究了钢筋混凝土填充钢管的偏心拉伸特性，阐明了它们在偏心拉伸荷载下的相互力矩作用关系。Ye等^[15]对圆形混凝土填充不锈钢管在双向拉伸条件下的力学性能进行了实验研究，发现内部混凝土与外部不锈钢管有效粘结，使得其抗拉强度和刚度超过了相应的空心不锈钢管。基于现有的设计方法，他们证明了预测混凝土填充不锈钢管拉伸构件强度的可行性。Gao等^[16]实验表明，尽管整体钢材比例相似，但不同比例的钢管会导致不同的损伤模式。值得注意的是，现有研究主要集中在受轴向拉伸或单向偏心拉伸的构件上。所采用的方法和研究重点表现出一定的趋势：一方面，它们借鉴了偏心压缩构件的研究范式，试图通过安装加劲件等结构措施来提高承载能力；另一方面，也开始探索使用机器学习和精细化的有限元模型来预测承载能力。然而，关于RCFST构件在双向偏心拉伸荷载下的力学性能的研究仍然有限，尤其是缺乏足够的实验数据。此外，RCFST构件在外钢管和内部填充混凝土之间的复合相互作用在双向偏心拉伸下的作用机制仍需明确。另外，目前尚未推导出RCFST构件在双向偏心拉伸下的塑性承载能力计算公式。

因此，本文进一步研究了RCFST构件在双向偏心拉伸荷载下的力学性能，探讨了混凝土与矩形钢管之间的协同作用是否构成最优的复合配置。设计并实施了一系列试验，关键参数包括偏心率、钢材含量、混凝土的抗压强度、环向系数以及与x轴的偏心角度。同时绘制了荷载-位移曲线、荷载-应变曲线和弯矩-转角曲线。本文还重点对所有构件进行了失效模式分析，并比较了在相同和不同偏心角度下的失效模式。随后，基于实验结果分析了关键参数的综合效应。这得出了RCFST构件在双向偏心拉伸荷载下的承载能力，研究了钢材-混凝土相互作用与承载能力和刚度之间的关系。最后，利用实验数据和应力-应变过程，推导出了RCFST构件在双向偏心拉伸荷载下的塑性承载能力公式。该公式为实际工程中类似构件的计算提供了理论支持，能够合理预测RCFST短柱的塑性极限承载能力。结论部分概述了该公式的适用范围和潜在的预测偏差。这项系统的研究有助于获取基本数据，揭示其工作原理，并为后续开发先进的分析方法奠定了基础。

部分摘录

一般信息

本文设计并测试了总共16个构件，包括14根RCFST短柱和2根空心钢管短柱。每个构件都进行了单向偏心拉伸荷载下的单次拉伸试验。构件需要满足短柱尺寸要求；当细长比过大时，会发生严重的侧向屈曲失效，导致承载能力降低。本研究主要研究了局部应力分布和材料特性

荷载-位移关系曲线

16个构件通过单向铰链连接到万能试验机两端的夹具上。四个纵向位移传感器以90°间隔对称分布在结构周围，用于测量RCFST构件的纵向变形。该曲线展示了RCFST构件在受载下的结构行为。荷载-位移曲线的分析揭示了各种参数对构件刚度和承载能力的影响

对比分析

在不同参数条件下，不同构件的承载能力比值除以相同参数条件下构件的最小承载能力，用段长表示。这些段长表示承载能力的相对大小，段长越长，表明该参数对承载能力的影响越大。通过将不同参数下构件的承载能力叠加在一张图上，可以清晰地看出不同参数的影响

塑性阶段的基本特征

对于RCFST构件，在达到极限荷载时，构件进入塑性状态，失效区域内的所有材料都处于塑性极限状态，且力处于平衡状态。为了确定RCFST构件在双向拉伸荷载下的塑性极限承载能力，采用了应力平衡方法。这涉及基于复合材料的极限强度应用应力平衡原理来确定塑性极限承载能力。

塑性阶段的基本假设和适用性

• (1)

结论

本研究进行了一系列试验，以研究RCFST构件在双向偏心拉伸荷载下的力学性能。此外，还推导出了RCFST构件在双向偏心拉伸荷载下的塑性承载能力公式。在所研究的试验参数范围内，可以得出以下结论：(1)

在双向拉伸荷载条件下，RCFST构件的应力性能

作者贡献声明

应一辉：可视化、监督、概念构思。邓宇：撰写——审稿与编辑、项目管理、调查、资金获取、概念构思。鲍润华：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、验证、监督、数据整理

利益冲突声明

作者声明本文的发表不存在利益冲突。这项工作是独立完成的，没有外部因素影响研究结果或解释。所有作者对研究做出了同等贡献，不存在可能被视为利益冲突的财务或个人关系。