《Structures》：Experimental study on shear behavior of steel fiber reinforced recycled aggregate concrete-filled steel tubular columns based on acoustic emission technology
编辑推荐：
摘要钢管约束钢纤维再生骨料混凝土（SF-RACFST）柱是一种新型环保复合材料构件。在实际工程中，该构件通常承受弯剪组合作用，但其破坏机制和承载力计算方法尚不成熟。针对现有研究中关于再生骨料性能劣化、损伤演化以及弯剪协同工作机理的不足，本文基于声发射（AE）技术，对SF-RA
摘要
钢管约束钢纤维再生骨料混凝土（SF-RACFST）柱是一种新型环保复合材料构件。在实际工程中，该构件通常承受弯剪组合作用，但其破坏机制和承载力计算方法尚不成熟。针对现有研究中关于再生骨料性能劣化、损伤演化以及弯剪协同工作机理的不足，本文基于声发射（AE）技术，对SF-RACFST柱的弯剪响应开展了试验和理论研究。共设计了26根试件，选取了钢管壁厚、再生粗骨料替换率、钢纤维体积分数、剪跨比和轴压比五个变量参数，并进行了剪切加载试验。在加载全过程中实时监测了试件的声发射信号。通过分析RA-AF参数、累计能量和b值，揭示了再生混凝土微裂缝萌生、扩展和宏观破坏的演化规律，阐明了钢管约束作用和钢纤维桥接效应对损伤累积的抑制机理。结合经典屈服准则，分析了钢-混凝土界面滑移和核心混凝土的三轴应力状态，建立了考虑再生骨料性能劣化和钢纤维增强作用的弯剪承载力理论模型。试验结果表明，钢纤维可有效提高再生混凝土的峰值强度和延性，并降低损伤累积速率。增加钢管壁厚可显著延缓钢管的局部屈曲。理论结果、现有设计规范和试验数据的对比验证表明，所提出的公式具有较高的计算精度和较低的离散性，且能合理反映关键参数的影响，优于现行规范中的公式。本研究丰富了SF-RACFST组合柱的损伤监测理论，为该类新型构件的工程设计和安全评估提供了重要的理论基础和计算方法。
引言
在全球资源短缺和环境污染日益严重的背景下，对创新型绿色建筑材料的需求不断增长。钢管约束钢纤维再生骨料混凝土柱集成了钢管的约束效应、再生骨料的环境优势以及钢纤维的增韧和增强作用，是实现建筑垃圾资源化利用和提高工程结构性能的一种有前景的新型复合构件[1]，[2]，[3]，[4]，[5]，[6]。该类柱被广泛应用于高层建筑、桥墩等结构体系中，可有效提高结构的延性、耗能能力和抗震性能[7]，[8]，[9]，[10]，[11]。然而，再生骨料固有的孔隙、微裂缝和界面过渡区（ITZ）缺陷，使得再生骨料混凝土的力学性能劣于天然骨料混凝土。这对钢管约束钢纤维再生骨料混凝土（SF-RACFST）柱的承载力预测和损伤机制研究构成了重大挑战[12]，[13]，[14]，[15]，[16]，[17]。
尽管国内外学者对SF-RACFST柱进行了大量研究，但大多数研究关注其轴向受压或纯弯性能[18]，[19]，[20]。在实际工程中，柱通常同时承受轴向压力、弯矩和剪力，因而处于复杂的弯剪耦合状态[21]，[22]，[23]，[24]。现有文献表明，现行设计规范中组合柱抗剪承载力计算方法大多基于理想化假设，无法充分考虑再生骨料性能劣化、钢纤维桥接效应以及钢管-混凝土界面滑移对抗剪破坏模式的复杂影响[25]，[26]，[27]。此外，现有研究仍缺乏关于轴压比对弯剪破坏模式和抗剪承载力具体影响机理的系统定量分析。近年来，钢管混凝土柱抗剪模型的进展已从纯经验公式向数据驱动和概率方法转变。Xue等人[28]将数据增强与机器学习和可靠性分析相结合，预测了方钢管混凝土柱的抗剪承载力；Yu等人[29]开发了基于贝叶斯的概率模型，涵盖230根圆形和84根方形剪切实验数据，报告的精度有所提高（R2高达0.975），可靠度指数超过3.7。Zhang等人[30]进一步提出了算法增强的XGBoost框架及区间预测方法，Zang[31]则通过试验量化了内部钢箍对抗剪强度的增强作用。这使得设计者在各种轴压比条件下难以准确评估此类柱的抗剪安全[32]。传统力学试验只能获得极限破坏荷载和宏观变形，无法揭示再生混凝土内部微裂缝的萌生、扩展和贯通等动态损伤演化过程[33]，[34]，[35]。作为一种无损检测技术，声发射（AE）可实时捕捉材料内部微裂缝产生的弹性波信号，为分析再生混凝土的损伤累积和破坏机理提供了一种独特手段[36]，[37]，[38]。然而，利用AE技术探讨SF-RACFST柱弯剪耦合破坏机理的研究仍很少，尤其是AE参数与宏观力学性能之间的定量相关模型仍付之阙如。
为了解决上述问题，本研究采用相对轴压比范围为0至1.0。主要目的是排除轴向压缩的主导效应，着重研究弯剪组合作用下SF-RACFST柱的抗剪破坏机理和承载力计算模型。选择该范围的依据如下：在低轴压比下，抗剪破坏和弯剪耦合效应更为显著，能够清晰反映再生混凝土与钢纤维之间的协同工作机理。同时，避免了高轴压比下轴向压缩引起的脆性破坏的干扰，从而推导更精确的工程设计准则。
章节片段
试件设计与制作
本试验共制备了26根试件。如表1所示，每根试件的柱截面尺寸为150 mm × 150 mm。为考察不同试验参数对钢管钢纤维再生混凝土柱抗剪力学行为的影响，选取了以下变量：钢管壁厚（t）分别为3、4和5 mm；再生骨料替换率（RAR）分别为0%、50%、75%和100%；钢纤维体积分数（Vf）分别为
试验现象
如图4(a)、4(b)和4(c)所示，当剪跨比为0、0.2和0.3时，均发生剪切破坏，损伤形态相似。钢管表面观察到明显的剪切滑移线。与支座接触的钢管出现局部凹陷，变形区域附近观察到鼓包现象。如图4(a)和4(b)所示，当0.75?<
λ 损伤演化分析
图20展示了荷载-时间-能量关系，图21展示了声发射计数-时间-荷载关系。通过对比这些图中的特征参数，可将钢管再生混凝土柱的弯剪加载过程分为三个阶段。阶段Ⅰ对应于初始微损伤阶段，此阶段声发射能量和事件计数频率均非常低，数值最小。这表明在
现行设计规范中的计算方法
抗剪性能是工程结构构件最基本也是最重要的力学性能之一。目前，全球学者对钢管混凝土构件进行了广泛而深入的研究，各国相关设计规范也陆续提出了此类构件抗剪承载力的计算公式。
(1) 日本AIJ设计规范（2008）[47]
AIJ（2008）设计规范仅考虑了剪切
结论
通过对钢管钢纤维再生混凝土柱弯剪力学性能的理论与实践分析，得出以下结论：
(1) 再生骨料固有的缺陷以及新旧砂浆之间的界面是试件早期AE事件的主要来源。钢纤维的加入可有效抑制内部微裂缝的扩展，显著降低初始加载阶段的AE撞击计数和能量释放率，且
CRediT作者贡献声明
马晓霞：写作——审阅与编辑，写作——原稿撰写。陈绪勇：资金获取，形式分析。陈千石：数据整理。高辰英：形式分析。陆屹言：指导，项目管理，调查，资金获取。
资金来源
本研究获得国家自然科学基金资助（批准号52238006）、中央高校基本科研业务费（2042023kf0209）、湖北省自然科学基金项目（2024AFA033）。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。
马晓霞|陈绪勇|陈千石|高辰英|陆屹言
