《Engineering Structures》：Static behaviour of CFDST columns with stainless steel outer tube under combined loads for offshore wind turbine structures
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海上风电机组复合载荷下CFDST柱静力性能研究及新设计方法提出。通过9组带不锈钢外管的CFDST柱试验和有限元参数分析，验证了现有设计方法低估结构抗力的缺陷，创新性提出统一交互方程、三端点设计准则及修正剪力效应系数的新方法。
郭宇佩|钟玉凯|苏安迪|唐静璞|王芳颖
广州大学风工程与工程振动研究中心，中国广州
摘要
近几十年来，海上风力涡轮机的开发趋势是朝着更大规模和更深的海洋方向发展，这导致其支撑结构承受更极端的载荷和更严重的腐蚀。鉴于此，提出了采用不锈钢外管的中空钢管柱（CFDST）作为新型风力涡轮机支撑结构，因为它们具有优异的耐腐蚀性和结构性能。本文研究了这种结构在常见的海上风力涡轮机塔架所承受的复合压缩-弯曲-剪切-扭转载荷下的静态行为。通过实验和数值分析，研究了不锈钢外管CFDST柱在复合压缩-弯曲-剪切-扭转载荷下的结构行为。共进行了九次柱体试验，考虑了不同的材料强度和载荷条件。详细讨论了试验结果，包括失效模式、载荷-变形历程、结构指标和应变分析。基于试验结果开发并验证了并行有限元模型，并用于涵盖各种几何尺寸、材料强度和载荷条件的参数研究。之后，评估了现有设计方法（包括韩氏相互作用方程和T/CCES 7–2020中规定的孤立载荷设计抗力）对不锈钢外管CFDST柱的适用性，发现其抗力预测存在保守性和分散性。因此，提出了一种新的设计方法，该方法基于统一的相互作用方程、三个端点（设计压缩抗力、弯曲抗力和扭转抗力）以及修正的剪切效应因子，显著提高了设计精度。
引言
近年来，许多国家加快了海上风力涡轮机向更大规模和更深海域发展的步伐，以更好地利用海上风能。这一发展趋势对风力涡轮机支撑结构提出了重大挑战，因为这些结构将承受更极端的载荷和严重的腐蚀问题。为了解决这个问题，迫切需要新型的高性能支撑结构。一种潜在的解决方案是用新型的钢-复合材料柱（即具有不锈钢外管的高强度混凝土填充双皮管CFDST柱）替代传统的钢柱[1][2][3]。这种新型结构不仅继承了CFDST结构的优点[4][5][6][7][8]，还由于不锈钢外管的显著应变硬化效应和高耐腐蚀性[13][14][15]，以及高强度混凝土和高强度内管的高承载能力[16][17]，而具有更高的延展性、耐腐蚀性和承载效率[1][2][3][9][10][11][12]。
以往的研究已经对不锈钢外管CFDST柱在轴向压缩[9][18][19][20][21][22]、纯弯曲[11][23][24][25]、复合压缩-扭转载荷[2]和复合压缩-弯曲-扭转载荷[3]下的机械行为和设计方法进行了探讨。许多研究者[9][18][19][20][21][22]研究了不锈钢外管CFDST柱在轴向压缩下的截面行为和抗力，得出结论：(i) 使用不锈钢外管可以提高延展性和强度，优于传统的碳钢外管CFDST柱；(ii) 现有设计规范中规定的钢-混凝土复合结构的截面压缩设计方法没有充分考虑不锈钢的应变硬化带来的有利强度。王等人[11]进行了四点弯曲试验并开发了数值模型，研究了不锈钢外管CFDST截面的弯曲行为，发现欧洲规范EN 1994–1–1 (EC4)[26]和美国规范AISC 360–16[27]的弯曲抗力预测存在保守性和分散性，提出了一个混凝土折减因子以提高EC4的设计精度。关于偏心压缩行为，乐等人[23]、赵等人[24]、吴等人[14]和钟等人[25]研究了不锈钢外管CFDST短柱和细长柱在偏心载荷下的行为，指出细长比和偏心比对其结构行为有显著影响。作者[1]通过实验和数值方法研究了高强度不锈钢外管CFDST柱的扭转行为，表征了钢管与夹层混凝土之间的界面行为，并评估了现有设计方法在用于不锈钢外管CFDST柱时的相对准确性。还研究了CFDST柱在复合压缩和扭转载荷下的行为[2]，结果表明压缩对扭转抗力有轻微的正面影响。提出了一种改进的设计方法，包括修正的非线性和三线性相互作用曲线以及两个端点（轴向压缩抗力和纯扭转抗力）[2]。此外，还提出了一种新的复合压缩-弯曲-扭转设计方法，包括修正的复合压缩-弯曲-扭转相互作用面和三个端点（压缩抗力、弯曲抗力和扭转抗力），用于预测高强度不锈钢外管CFDST柱在复合压缩-弯曲-扭转载荷下的耦合抗力[3]。
尽管已经对不锈钢外管CFDST柱进行了大量研究，但目前尚未对其在复合压缩-弯曲-剪切-扭转载荷下的结构行为进行研究，而这种载荷是海上风力涡轮机塔架常见的载荷条件。具体来说，如图1所示，海上风力涡轮机塔架经常受到复合压缩-弯曲-剪切-扭转载荷的作用，这是由于自重、侧向风荷载以及风力涡轮机叶片的俯仰和偏航造成的。迄今为止，关于混凝土填充钢管（CFST）柱在复杂载荷下的结构行为的研究相对全面和系统。基于之前对CFST柱在复合压缩-弯曲-扭转载荷和压缩-弯曲-剪切载荷下的耦合行为以及CFST柱的剪切行为[28][29][30][31]的实验和数值研究，韩氏团队提出了一种复合压缩-弯曲-剪切-扭转统一设计方法[32]，该方法可以通过相互作用方程中不同计算项的组合来预测CFST柱在各种耦合载荷下的结构抗力。聂等人[33]对CFST柱在复合压缩-扭转载荷下的循环行为进行了实验和数值研究，发现随着扭转与弯曲比的减小，CFST柱的扭转抗力和延展性会恶化，失效模式更多地表现为弯曲失效。可以看出，扭转与弯曲比对于CFST柱在复合载荷下的结构行为至关重要。聂等人[34]基于实验和数值研究提出了一种CFST柱在弯曲-剪切-扭转载荷下的设计方法，该方法将弯曲抗力和剪切抗力之间的相互作用关系简化为线性关系。杨等人[35]研究了再生骨料填充的高强度钢管在复杂载荷下的耦合行为，得出结论：随着轴向压缩比的增加，扭转抗力和弯曲抗力之间的相互作用关系先扩大后收缩。上述关于CFST柱在复杂载荷下机械行为的研究方法和结论可以为CFDST构件的相关研究提供参考。然而，目前对于普通CFDST构件在复杂载荷下的机械行为的研究仍然非常有限。邓等人[5][7][36]对大空心比的锥形CFDST柱在复合载荷下的行为进行了实验和数值研究，发现现有方法对CFST柱在复合压缩-弯曲-扭转或压缩-弯曲-剪切载荷下的结构抗力预测存在保守性。金等人[37]对超大直径薄壁CFDST柱在复合压缩-弯曲-剪切载荷下的行为进行了实验研究，发现(i) 夹层混凝土可以有效降低钢管的弹性局部屈曲风险，即使钢管的截面细长比超出规范要求；(ii) 当柱子的剪切跨比在1.2到2.5之间时，剪切效应显著。总之，特别有必要研究新型不锈钢外管CFDST柱在复合压缩-弯曲-剪切-扭转载荷下的机械行为，以促进其在海上风力涡轮机结构中的应用。
本研究重点关注了不锈钢外管锥形CFDST柱在复合压缩-弯曲-剪切-扭转载荷下的静态行为和抗力，考虑了剪切效应的影响和未考虑剪切效应的情况。共测试了九个不锈钢外管CFDST柱试件，考虑了不同的混凝土强度、碳钢内管的屈服强度、轴向压缩比和扭转与弯曲比，并进行了相应的材料试验。获得试验结果后，开发并验证了数值模型，并利用这些验证模型进行了参数研究以扩展试验数据集。随后，评估了现有设计方法（包括韩氏相互作用方程[32]和T/CCES 7–2020[38]中规定的孤立载荷设计抗力）在预测不锈钢外管CFDST柱在复合压缩-弯曲-剪切-扭转载荷下的抗力方面的适用性。最后，根据评估结果提出了一种新的设计方法。
实验室测试计划包括材料试验和复合载荷下的柱体试验，共测试了九个CFDST柱，这些柱子由奥氏体不锈钢S304外管、夹层混凝土和碳钢内管组成，制造过程如图2所示。所有试件都具有相同的几何尺寸，即通常用于海上风力涡轮机结构的锥形薄壁复合柱。
利用非线性有限元（FE）软件ABAQUS[45]开发了CFDST柱在复合载荷下的数值模型，并根据试验结果进行了验证。这些验证模型被用于后续的参数研究，其结果用于设计分析。
每个CFDST柱试件都是根据表1中的测量尺寸和载荷条件进行建模的，不锈钢外管和内管使用了四节点壳单元（S4R）。
鉴于目前尚无专门针对不锈钢外管CFDST柱在复合压缩-弯曲-剪切-扭转载荷下的设计方法，通过比较设计抗力，评估了将韩氏书籍[32]中推荐的CFST柱相互作用方程与T/CCES 7–2020[38]中规定的孤立载荷CFDST柱设计抗力相结合的方法的适用性。
本研究通过实验室试验和数值模拟研究了不锈钢外管CFDST柱在复合压缩-弯曲-剪切-扭转载荷下的结构行为。对九个不锈钢外管CFDST柱进行了测试，并详细报告和讨论了测试结果。然后利用测试结果开发并验证了数值模型，并基于这些验证模型进行了参数研究。
ZHONG玉凯：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源协调、方法论、研究设计、资金获取、数据分析、概念构建。苏安迪：方法论、研究设计、概念构建。郭宇佩：撰写 – 原稿撰写、可视化、方法论、研究设计、数据分析、概念构建。唐静璞：方法论、研究设计、概念构建。王芳颖：方法论、研究设计、概念构建。
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究工作。
本研究得到了国家自然科学基金（NSFC）（资助编号：52308158）、广州市基础研究计划（资助编号：2025A03J3111）、广东省人才引进项目（资助编号：2023QN10L020）、学科创新海外专家引进项目（资助编号：D21021）和广州市科技项目（资助编号：20212200004）的财政支持。
