关于具有界面缺陷的方形CFST（混凝土填充钢管）构件偏心承载能力的实验与数值研究

《Journal of Building Engineering》：Experimental and numerical investigation on the eccentric bearing capacity of square CFST members with interfacial defects

混凝土填充方钢管柱在偏心荷载下界面缺陷力学行为研究：通过31个试件系统分析不同缺陷类型、分布和比例对方钢管混凝土柱承载能力及失效模式的影响，提出基于偏心折减系数和改进全截面塑性理论的分析方法，并验证其预测精度。

　　

Jiahang Xu|Ting Zhou|Zhihua Chen|Yutong Zhang|Ou Zhao

天津大学，天津，300072，中国

摘要

本研究探讨了含有界面缺陷的方形混凝土填充钢管（SCFST）柱在偏心荷载作用下的力学行为。对31个试件进行了全面的实验研究，这些试件具有四种不同的缺陷类型：（i）全长边缘脱粘，（ii）部分长度边缘脱粘，（iii）角部四分之一圆柱形空洞，以及（iv）侧面半圆柱形空洞。通过改变这些缺陷的几何比例和空间分布，对其对结构性能的具体影响进行了深入评估。特别是，该研究对比了具有相同缺陷比例但分布不同的试件的行为。详细分析了关键性能指标，包括破坏机制、极限承载能力、初始刚度和应变演变。为了补充实验结果，提出了一种高保真度的有限元（FE）模型来模拟偏心响应，并便于进行广泛的参数研究。最终，制定了两种预测承载能力的分析方法：一种利用偏心系数，另一种基于改进的全截面塑性理论。这两种方法都被验证能够为含有界面缺陷的SCFST构件提供准确可靠的预测。

引言

材料科学和施工技术的进步加速了混凝土填充钢管（CFST）结构在现代土木工程中的应用。由于CFST构件具有较高的结构效率、成本效益和良好的力学性能，它们已被广泛应用于各种结构系统中[1]，[2]。外部钢管对混凝土芯部施加侧向约束，从而支撑钢管壁，防止其向内变形。这种复合作用显著延缓了钢管壳体的局部屈曲，并同时提高了构件对火灾和环境侵蚀的抵抗力[3]，[4]。根据钢管的不同形状，CFST可分为圆形CFST、方形CFST和椭圆形CFST等[5]，[6]，[7]，[8]。方形CFST（SCFST）因其与建筑柱的兼容性而在住宅建筑中得到广泛应用。

CFST构件的优异性能依赖于有效的钢-混凝土粘结及由此产生的复合效应。然而，现有的研究结果[9]，[10]，[11]，[12]和工程实践表明，圆形CFST在桥梁工程中容易出现两种典型的界面缺陷：圆形空洞和球形空洞。与圆形截面相比，SCFST构件的约束能力较差。这种几何限制使它们更容易受到施工过程中产生的缺陷的影响，进而损害界面粘结的完整性[13]，[14]。这种界面失效会直接损害复合结构的整体工作性能，并对结构安全构成严重威胁。

目前关于CFST缺陷的研究主要集中在缺陷对轴向压缩性能的影响上[15]，[16]，[17]，[18]。然而，大多数柱子同时承受轴向压缩和弯矩[19]，[20]，[21]。当应力位置与混凝土缺陷位置一致时，力学性能将同时受到偏心效应和缺陷的影响[22]。明确缺陷类型、缺陷分布和缺陷比例对SCFST偏心承载能力的影响至关重要。Han[23]研究了界面间隙对圆形CFST柱在偏心压缩下的影响，并指出缺陷的影响显著。在实际工程中，径向空洞比例和球形空洞比例应分别小于0.05%和2.4%。Wang[24]研究了偏心效应和球形空洞对椭圆形钢-混凝土短柱偏心压缩能力的影响，研究表明缺陷比例和偏心效应显著影响试件的力学性能。Xu[22]研究了含有内部混凝土缺陷的SCFST柱的偏心承载能力，发现应力响应取决于缺陷比例和缺陷分布模式。需要注意的是，内部混凝土缺陷和界面缺陷通过不同的机制影响SCFST柱。内部空洞主要减少了有效混凝土面积，削弱了局部约束；而界面缺陷直接降低了钢-混凝土复合效应，阻碍了荷载传递。在偏心压缩下，这种影响更为明显，因为弯曲会放大应力梯度，导致接触不均匀。

上述研究表明，关于含有混凝土缺陷的CFST的偏心压缩能力的研究仍然有限。迄今为止，对于界面缺陷对受偏心荷载作用的SCFST柱结构响应的影响关注不足。具体而言，缺陷配置（包括比例和空间分布）与关键力学指标（如极限强度、弹性刚度和变形能力）之间的定量关系尚未完全阐明。由于现有文献中缺陷分布的具体作用尚不明确，因此迫切需要对有缺陷的SCFST构件进行全面研究。因此，需要进一步研究含有界面混凝土缺陷的SCFST柱，以明确缺陷类型、比例和分布对其偏心压缩性能的影响。

因此，本研究旨在填补目前对含有界面缺陷的SCFST柱在偏心荷载作用下结构响应理解的空白。为此，进行了全面的实验研究，以评估缺陷类型、比例和分布对关键性能指标（包括破坏机制、极限强度、刚度退化和应变演变）的影响。除了实验外，还使用经过验证的FE模型进行了广泛的参数研究，并评估了现行设计规范的适用性。最终，基于偏心系数和改进的全截面塑性理论，制定了两种分析方法来预测有缺陷构件的剩余承载能力。

实验试件详情

测试试件详情

实验研究了31个SCFST柱，系统评估了界面缺陷（特别是其分布和比例）对偏心荷载下结构性能的影响。包括1个完整试件和30个在界面处预设缺陷的试件。所有试件的偏心距e为25毫米。四种类型的缺陷分别为：（i）D1：全长边缘脱粘，（ii）D2：部分长度边缘脱粘，（iii）D3：四分之一圆柱形空洞

破坏特征

图4至图12展示了参考试件（E1）和含有缺陷的试件的钢管和混凝土芯部的破坏特征。四个表面的标记方法在图3中定义。具体来说，表面“A”是指包含界面缺陷的面，该面与施加偏心荷载的平面对齐。当缺陷均匀分布在所有侧面时，其中一个侧面被标记为“A”。E1的损伤情况如下

有限元建模策略

使用Abaqus/Standard进行了三维FE分析。钢管采用S4R壳单元建模，而填充的混凝土则用C3D8R实体单元表示。为了在收敛速度和计算精度之间取得平衡，在整个试件中生成了规则的结构化网格。通过使用三种不同的全局单元尺寸（10毫米、7.5毫米和5毫米）进行了网格敏感性研究，预测的峰值载荷之间的差异小于1.5%

理论计算方法

迄今为止，用于评估有缺陷CFST构件承载性能的现有分析方法主要局限于具有球形帽或环形间隙的圆形截面[23]，[35]，[36]。对于含有混凝土缺陷的矩形试件，很少有方法用于评估其轴向压缩性能[16]，[25]。目前很少考虑偏心压缩和混凝土缺陷同时存在的情况。本节对此进行了验证

结论

本研究结合实验室测试和数值模拟，全面评估了方形混凝土填充钢管（SCFST）构件的偏心荷载响应。共研究了31个试件，这些试件具有不同的界面缺陷比例和配置。基于实验数据和分析结果，主要发现如下。

• (1)
  有缺陷试件的破坏机制主要是

作者贡献声明

Ou Zhao：撰写 – 审稿与编辑，验证。Jiahang Xu：撰写 – 原始草案，方法论，数据管理。Zhihua Chen：项目管理，调查。Ting Zhou：资金获取，概念构思。Yutong Zhang：软件，资源

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：52278202）的资助。