综述：废弃遗产建筑的资源效率：再利用策略与决策支持方法综述

《Journal of Building Engineering》：Resource Efficiency in Abandoned Heritage Buildings A review of reuse strategies and decision support methods

CFST柱TOB螺栓连接的承载性能研究基于试验与有限元分析，揭示了壁厚、混凝土填充和螺栓参数对连接性能的影响，提出考虑多失效模式的承载能力计算方法，并验证其在不同温度下的准确性。

　　

杨友|史张|吴静宇|崔春宇|王佩军

山东交通大学交通运输与土木工程学院，济南250357，中国

摘要：

由于混凝土填充钢管（CFST）柱的截面是封闭的，因此不能使用标准螺栓（SB）进行连接。然而，螺纹固定型单侧螺栓（TOB）可以从一侧安装，无需使用螺母，从而方便了CFST柱的连接。通过试验和有限元模型（FEM）研究了TOB螺栓连接的抗拉性能。当钢管壁厚相对较薄时，柱壁的变形可能导致螺纹孔与TOB脱开，从而导致连接失效。填充混凝土为钢管提供了内部支撑，并对TOB增加了额外的锚固力，从而提高了极限载荷，但对屈服载荷的影响很小。TOB的直径及其在混凝土中的锚固深度仅影响极限载荷，对屈服载荷的影响很小。高温会显著降低连接的承载性能，但不会改变失效模式。在稳态高温试验中，连接的承载能力随温度升高而迅速下降。在瞬态高温试验中，载荷比的增加会降低连接的临界位移和临界温度。在柱壁厚度有限的情况下，TOB螺栓连接可以达到与SB螺栓连接相似的屈服载荷，但安全储备较低。基于研究结果，建立了TOB螺栓CFST柱连接的承载能力计算公式。与实验和FEM结果的比较表明，所提出的公式可以准确预测不同温度下连接的屈服载荷。

引言

混凝土填充钢管（CFST）柱是由钢管和填充混凝土组成的复合结构构件。钢管提供外部约束，防止混凝土横向膨胀并增强其抗压强度，而混凝土提供内部支撑，提高整体承载能力。CFST柱具有良好的延展性和抗震性能，在弯矩作用下表现出优于单一材料制成的柱子的性能。在施工过程中，CFST柱的外钢管作为永久性模板，显著提高了施工效率和质量[1]，[2]。然而，由于截面封闭，使用传统螺栓连接CFST柱较为困难。因此，目前主要采用焊接连接。然而，焊接过程可能会引入裂纹和孔隙等缺陷，从而影响结构强度和耐久性[3]，[4]。此外，焊接需要专业技术人员和设备，且过程耗时，可能会延误施工进度。因此，许多研究人员致力于开发新的连接技术以减少CFST柱施工所需的焊接量。

与传统螺栓不同，单侧螺栓（或盲螺栓）安装时不需要螺母，非常适合用于CFST柱等封闭截面构件。根据锚固机制，传统单侧螺栓可以分为三种主要类型：（1）套管膨胀变形锚固单侧螺栓，如Hollo螺栓和MolaBolt [5]；（2）折叠垫圈单侧螺栓，如Blind Bolt和Ajax One-side Bolt [6]；（3）机械结构锚固单侧螺栓，如T头方形颈单侧螺栓和滑移临界盲螺栓 [7]。许多学者对使用单侧螺栓的连接的机械性能进行了研究。然而，现有研究表明，单侧螺栓连接的机械性能不如相同规格的标准螺栓（SB），且其成本高于传统的连接方法，包括焊接和标准高强度螺栓连接[8]。因此，近年来，许多研究人员试图开发新型高性能单侧螺栓。

通过在螺栓孔内直接制造螺纹，可以替代螺母为螺栓提供锚固力，从而形成螺纹固定型单侧螺栓（TOB），如图1所示。此外，TOB结构简单，可以直接使用标准螺栓，使其成本低于其他类型的单侧螺栓，并具有很好的应用前景。近年来，许多学者对TOB连接的机械性能进行了研究。

王等人[9]通过试验发现，在剪切力作用下，TOB连接的性能基本等同于SB连接。然而，在拉力作用下，TOB连接的有效性受到钢管壁厚的显著限制，通常需要额外的接头加固措施[10]，[11]。

然而，目前关于TOB的研究主要限于纯钢结构接头。关于TOB连接的CFST接头在火灾引起的高温下的机械性能的相关研究仍然不足。由于锚固机制的不同，TOB连接的CFST接头的钢管变形特性与SB连接的接头明显不同[12]。此外，钢管的变形反过来又会影响TOB的连接强度。另外，在高温下，普通钢材的机械性能退化速率与高强度螺母显著不同，如图2所示，这也可能导致TOB螺栓连接和SB螺栓连接在高温下的性能差异。因此，考虑到TOB和SB之间的差异，本文设计并进行了相关试验，以评估TOB螺栓CFST连接在常温和高温下的性能，并建立了一种计算连接承载能力的方法。

测试试件

由于高温试验的特殊性，全尺寸连接的研究需要高精度设备，周期较长，且直接可观察的数据有限。组件方法是一种有效的简化方法。其核心逻辑认为，任何复杂连接的宏观机械性能可以视为几个基本承载组件的有机组合，包括拉伸区、压缩区等

常温试验和稳态高温试验

常温试验中不同组试件的失效现象和载荷-位移曲线分别如图10、图11、图12、图13、图14、图15、图16、图17、图18、图19、图20所示，具体试验结果见表3。

C1是一种没有填充混凝土的TOB螺栓纯钢连接。在常温试验中，C1在拉力作用下，钢管柱的侧壁发生了向内变形

模型建立与验证

由于试验试件数量有限，且在高温条件下无法直接观察加载过程中的现象，一些关键数据难以获取。因此，基于试验结果，使用ABAQUS软件建立了TOB螺栓CFST连接的有限元模型（FEM），以进一步分析高温下的失效机制和机械性能变化。

模型尺寸与

计算方法提出

根据TOB螺栓CFST连接不同失效模式的特性，可以建立相应的机械分析模型，以推导每种失效模式的承载能力计算方法。通过计算所有潜在失效模式的承载能力并取最小值，可以确定特定连接的理论承载能力。当连接出现失效模式1（柱壁

结论

本文通过高温试验和有限元分析研究了TOB螺栓CFST柱连接的抗拉性能。主要结论如下：

(1)

TOB螺栓CFST柱连接的主要失效模式是由于外钢管的变形导致螺纹孔与TOB脱开。因此，连接的承载能力取决于钢管壁的刚度，而不是螺纹孔的强度。

作者贡献声明

杨友：撰写——原始草稿、软件、方法论、概念化

未引用参考文献

[21]。

利益冲突声明

我们声明与可能不当影响我们工作的其他人或组织没有财务和个人关系，对任何产品、服务和/或公司没有专业或其他个人利益，这些利益可能会影响本文《使用螺纹固定型单侧螺栓在高温下连接钢梁-CFST柱的抗拉性能》一文的观点或评审。

致谢

本文得到了山东省自然科学基金支持的ZR2023QE324、ZR2024ME215、ZR2024QE474项目，以及山东省住房和城乡建设科学技术计划支持的2025KYKF-CSAQ161项目的资助。