超高性能纤维增强混凝土(UHPFRC)细长柱偏心受压性能的实验与数值研究

针对传统钢筋混凝土细长柱在偏心荷载下易出现脆性破坏和稳定性不足的问题，研究人员通过9组不同参数UHPFRC细长柱试验，系统研究了纵向配筋率ρl、横向配筋率ρst、偏心率e/t和长细比λb对承载性能的影响。研究发现UHPFRC柱具有优异的损伤控制能力，纤维桥接效应显著抑制混凝土剥落，同时验证了EC-2和ECP-203-2020设计规范的安全性，并提出ACI 318-19弯矩放大系数修正建议，为高性能混凝土结构设计提供重要依据。

　　

在建筑结构领域，钢筋混凝土柱的稳定性问题一直是工程师们关注的焦点。随着建筑高度不断增加，细长柱的应用越来越广泛，但这也带来了新的挑战——传统混凝土柱在偏心荷载作用下容易出现脆性破坏，且随着长细比增大，其承载能力会显著降低。更令人担忧的是，现行国际设计规范如ACI 318-19、EC-2和ECP-203-2020主要针对普通强度混凝土制定，对新兴的超高性能纤维增强混凝土(UHPFRC)细长柱缺乏明确的设计指导。

针对这一技术空白，研究人员开展了一项开创性的研究。通过精心设计的实验和先进的数值模拟，他们系统探究了UHPFRC细长柱在偏心荷载下的力学行为。这项研究不仅填补了该领域的研究空白，更为工程实践提供了宝贵的设计依据。

研究采用了多学科交叉的技术方法：通过9组全尺寸UHPFRC细长柱试验（截面150×150mm，高度2.5-3.0m），结合数字图像相关技术监测裂缝发展；建立考虑材料非线性的3D有限元模型（使用ABAQUS软件和混凝土损伤塑性模型）；并基于试验数据对三大国际规范（ACI 318-19、EC-2和ECP-203-2020）的设计条款进行了系统性验证。

研究结果揭示了多项重要发现：

1. 破坏模式与损伤控制
   所有试件均在中高度区域发生破坏，表现为纵向钢筋屈服伴随混凝土压碎。值得注意的是，与传统混凝土柱不同，UHPFRC柱展现出优异的损伤控制能力——钢纤维的桥接效应有效抑制了大块混凝土剥落，试件破坏时仅出现局部压碎和微裂纹，这一现象在数值模拟的塑性应变云图中得到清晰再现。

2. 偏心荷载的影响机制
   偏心荷载对柱性能的影响令人震惊：当偏心率e/t从0增至0.5时，承载能力骤降70.2%。这主要是由于二阶效应导致的附加弯矩显著增大，使得中性轴向受压区偏移，加速了受压区钢筋的屈服。试验数据表明，小偏心率(e/t=0.2)试件的开裂荷载约为极限荷载的43.5%，而大偏心率(e/t=0.5)试件该比例降至30.5%。

3. 配筋率的优化效应
   纵向配筋率ρ_l的提升带来显著增益：从2.01%增至4.52%可使承载力提升22.9%（e/t=0.2）和20.8%（e/t=0.5）。相比之下，横向配筋率ρ_st的影响较为有限——将ρ_st从0.49%提升至1.31%仅带来1.81%的承载力增长，这说明UHPFRC中纤维的桥接作用已提供主要约束效应。

4. 长细比的关键作用
   长细比λ_b从17增至20导致承载力降低28.5%，同时中部位移增大61.3%，这凸显了细长柱设计中稳定性控制的重要性。试验中λ_b=20（对应λ_i=66.7）的试件已超过各规范规定的长细比限值，但仍表现出良好的延性破坏特征。

5. 规范适用性评估
   对国际规范的对比分析得出关键结论：EC-2和ECP-203-2020的设计方法保守可靠（预测值与试验值比平均为1.33和1.29）；而ACI 318-19的弯矩放大法高估了二阶弯矩（平均偏差达1.81倍）。基于此，研究提出将ACI刚度折减系数从0.75调整为0.90，并将二阶弯矩限值从1.4M_u提高至2.5M_u，修正后的预测值与试验结果吻合良好（平均比值1.26）。

这项研究的价值不仅在于解决了UHPFRC细长柱设计的技术难题，更开创性地建立了考虑纤维增强效应的数值分析模型。研究证实，UHPFRC材料可使柱截面尺寸减小约30%而不降低承载能力，这对高层建筑和桥梁工程的轻量化设计具有革命性意义。特别值得注意的是，提出的规范修正建议已具备工程适用性，为UHPFRC纳入国际设计规范体系提供了坚实的数据支撑。未来，这项研究成果可望推动混凝土结构设计向更高性能、更可持续的方向发展。