带内箍筋的T形钢管混凝土柱轴心及偏心受压性能

《Engineering Structures》：Axial and eccentric compressive performance of T-shaped concrete-filled steel tube columns with internal ties

　　

- 提出了一种新型内置拉筋T形混凝土-filled钢管柱。
- 对T-T-CFST柱进行了轴心受压和偏心受压试验。
- 建立了有限元模型以研究拉筋的约束效应。
- 建立了改进的承载力计算理论模型。

## 引言

钢管混凝土（CFST）柱由于钢管与内填混凝土之间良好的协同工作性能，在现代结构工程中得到了广泛应用[1],[2],[3],[4],[5]。在此类体系中，钢管为混凝土核心提供约束，而混凝土核心则抑制钢管的局部屈曲。这种相互作用使构件相比传统钢筋混凝土柱具有更高的承载能力、延性和变形能力。在各种截面形式中，异形截面CFST柱引起了越来越多的关注，因为它们能够更好地满足建筑布局需求并提高不规则建筑平面中的空间利用率[6],[7]。T形CFST柱是异形截面CFST构件的一种典型类型。与常规矩形或方形CFST柱相比，T形截面可更便捷地布置在墙体交汇处或不规则框架布局中，从而提高建筑适应性[8],[9]。然而，T形截面的不规则几何形状也会导致应力分布不均匀和核心混凝土约束不均匀。特别是翼缘-腹板交叉区域和凹角区域可能引起应力集中和横向约束的不连续[10],[11]。因此，钢管更容易发生局部屈曲，混凝土核心的约束效率可能降低，导致在轴心或偏心受压下出现过早的强度退化。

为了提高T形CFST柱的力学性能，近年来提出了各种内部加强措施，包括角钢加劲肋[12],[13],[14]、拉杆[11],[15],[16]以及横向隔板[13],[17],[18]，这些措施安装在钢管内部以增强翼缘之间的协同作用，从而提高整体刚度和约束均匀性。这些措施已被证明能在不同程度上改善结构行为，提高承载能力和延性。Zheng等人[9]对轴心和偏心荷载下角钢加固T形CFST柱进行了实验研究，报告指出钢角将极限承载力提高了约13.2%–24.5%，尽管随着偏心距的增加，加固效果有所下降。Cai等人[16]研究了轴心受压条件下拉杆加固的T形CFST柱，结果表明拉杆延迟了局部屈曲，并使极限强度和延性分别达到未加固试件的约1.53倍和超过7.5倍。Tu等人[18]和Cheng等人[19]研究了轴心和偏心荷载下多腔T形CFST柱，发现多腔配置增强了约束并延迟了局部屈曲，改善了短柱的强度和延性，而中长柱的承载力随着长细比的增加而降低。此外，Liu等人[20]提出了计算此类构件在轴力和任意方向弯矩作用下承载力的统一方法。然而，现有的加强方法仍存在一定局限性。角钢加劲肋通常嵌入钢管内部，无法提供完全连续的约束，导致对混凝土核心的整体约束有限[21]。拉杆作为离散点约束，对全截面约束的改善能力有限[22]。横向隔板或多腔隔板可增强局部约束，但增加了焊接工作量、钢材用量和施工难度，还可能阻碍混凝土浇筑和振捣[23],[24]。因此，异形CFST柱的有效加强体系应同时提高钢管稳定性并实现对混凝土核心更均匀的约束，同时保持施工简便性。内部拉筋提供了一种潜在的解决方案，因为它可以在相对的钢管壁之间建立直接约束，从而提高钢板局部屈曲抗力和内填混凝土的约束效率。然而，内部拉筋在T形CFST柱中的有效性和约束机制仍不明确。

为了解决上述问题，本研究提出了一种新型的拉筋约束方法，即在钢管内部安装拉筋以提供对钢管壁的三维约束。与传统加强方法相比，所提出的体系通过同时控制钢管失稳和增强混凝土约束，提供了更集成化的约束机制。横向拉筋主要通过两个基本功能改善CFST柱的力学性能。首先，内部拉筋通过连接相对的钢板并对钢管壁进行分段，为钢管壁提供中间约束。这种约束效应减小了钢板的有效宽度，缩短了局部屈曲的半波长，从而提高临界屈曲应力并延迟局部屈曲的起始和扩展。因此，钢管的稳定性得到增强，由局部失稳引起的过早强度退化得到有效缓解。其次，内部拉筋通过在不同部位钢管之间传递横向约束力来增强对混凝土核心的约束效应。在受压荷载下，混凝土的横向膨胀对周围钢管产生向外的压力，而拉筋则对这种变形提供额外的抵抗力。这种相互作用扩大了混凝土的有效约束区域，促进了更均匀的三向受压应力状态，从而提高了CFST柱的抗压强度、延性和峰后变形能力。以往对内部设有拉筋的矩形或窄矩形CFST柱的研究表明，内部拉筋可延迟钢管局部屈曲，提高临界屈曲应力，并改善承载力和峰后变形能力[25],[26]。然而，内部拉筋在T形CFST柱中的应用研究仍不充分。由于截面几何形状不规则，T形CFST柱表现出约束分布不均匀、翼缘-腹板交叉处应力集中以及在不同加载方向下受压区变化等特点。这些特征可能显著影响内部拉筋的约束有效性和传力机制。因此，内部拉筋约束体系对T形CFST柱的适用性和增强机制需要系统的研究。

为解决这些问题，本研究通过实验、数值和理论方法研究了拉筋加固T形CFST柱在轴心受压和偏心受压条件下的受压行为。共试验了十个试件，包括三个轴压试件和七个偏压试件。首先进行轴压试验，以比较两种内部拉筋布置方式并确定适用于后续偏心受压试验的合适配置。随后进行偏心受压试验，考察荷载偏心距、加载方向和柱高对破坏模式、荷载-位移响应、横向变形和应变发展的影响。建立有限元（FE）模型并与实验结果进行验证，以进一步阐明拉筋的应力发展和约束贡献。最后，基于观察到的约束特征，为拉筋加固的T形CFST柱提出了基于分区约束的承载力模型，并评估了其相对于试验和有限元参考结果的预测精度。

### 试件概况

为研究内置拉筋T形混凝土-filled钢管柱在轴心受压和偏心受压条件下的受压行为，进行了实验研究。共试验了十个试件，包括三个轴压试件和七个偏压试件。如图1所示，所有试件具有相同的截面形式和几何尺寸。试件的翼缘长度（F）为300 mm，腹板长度（D）为200 mm，

### 整体行为与破坏机制

轴压试件的破坏模式如图4所示。试件TC0-O表现出最显著的局部屈曲，如图4(a)所示，表明未设置内部拉筋的钢管局部稳定性有限，对核心混凝土的约束不足。与试件TC0-O相比，试件TC1-A的屈曲发展受到限制，如图4(b)所示。交错布置将腹板分为多个约束单元，屈曲主要

### 整体行为与破坏机制

以试件TE3-E50-θ180°-H1200为例，在受压侧腹板肢相邻拉筋层之间的钢管上观察到局部屈曲，伴随屈曲区域的混凝土压碎，如图6所示。相反，受拉侧的钢管和核心混凝土几乎未出现明显损伤，破坏主要集中在受压区域。因此，破坏模式的特点是局部

### 有限元模型建立

在ABAQUS中建立了T-T-CFST柱的有限元模型，采用与试验试件相同的几何尺寸（图12）。荷载和边界条件通过两个参考点RP1和RP2施加，分别与顶板和底板耦合。在轴心受压下，RP1仅允许沿轴向移动，而RP2则完全约束。对于偏心受压，两个参考点处释放绕x轴的转动，仅

### 现有计算方法对比

预测CFST柱轴心承载力的现有方法可分为叠加法、统一法和极限平衡法，分别以EC4 [34]、GB 50936–2014 [35]和CECS 28:2012 [36]为代表。叠加法以EC4为代表，通过分别计算钢管和核心混凝土的贡献来计算轴心承载力，将二者视为独立的受力组分。统一法以GB 50936–2014为代表，

### 结论

本研究通过试验、有限元（FE）分析和理论建模研究了内置拉筋T形混凝土-filled钢管（CFST）柱的轴心和偏心受压行为。可得出以下结论：

(1) 内部拉筋约束体系通过同时增强钢管稳定性和混凝土约束，有效改善了T形CFST柱的受压性能。内部拉筋提供了中间

### CRediT作者贡献声明

吕新磊：写作——审阅与编辑，写作——原稿撰写，验证，项目管理，调查研究，形式化分析，概念化。卢雨婕：写作——审阅与编辑，资源，调查研究，概念化。易树云：项目管理，经费获取。吕庆方：写作——审阅与编辑，可视化，指导，资源，概念化。

### 利益冲突声明

作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益关系或个人关系可能影响本文所报告的工作。

### 致谢

作者衷心感谢国家自然科学基金（52378222）、科技发展合作专项（H202310204）以及中央高校基本科研业务费对本研究的资助。

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