混凝土填充钢管细长柱在不同CFRP加固方案下偏心受压时的行为

《Structures》：Behavior of concrete-filled steel tube slender columns strengthened with various CFRP schemes under eccentric compression

　　为研究不同CFRP包裹方式对长细钢管混凝土柱在不同偏心距下承载力和稳定性的影响，本文结合试验测试、有限元模拟和理论分析，对其偏压性能进行了研究。对8根圆形钢管混凝土柱进行了偏压试验，其中6根采用CFRP布加固，2根未加固作为对照。考虑了两个主要变量：CFRP加固方案（4层环向、4层纵向、双向各2层）和荷载偏心距（0.5和1.0）。试验结果表明，加固并未改变破坏模式，破坏仍由失稳控制，但影响了承载力、刚度和延性。加固柱的承载力比未加固柱最高提高36.9%。纵向和混合加固提供了更高的承载力和刚度，而环向加固提供了最高的延性。随后建立了CFRP加固钢管混凝土柱的有限元模型以进一步研究其行为。有限元模拟结果表明，较大的荷载偏心距提高了柱的延性，并放大了CFRP布对偏压承载力的贡献。相反，随着长细比的增加，环向CFRP布仍能为细长圆截面柱提供足够的约束，但其对承载力的有利作用逐渐减弱。最后，建立了CFRP加固细长圆形钢管混凝土柱的极限偏压承载力预测模型，该模型考虑了纵向CFRP加固系数和环向CFRP约束系数，能够很好地预测不同CFRP加固方式下钢管混凝土柱的承载力。引言当前大跨度、高层和重载结构的发展趋势，加上恶劣环境条件下日益严格的使用要求，使得传统结构形式已无法满足不断增长的承载力需求。钢管混凝土因其优异的力学性能和施工性能，已在工程实践中得到广泛应用[1]、[2]、[3]。由于结构偏心、荷载分布不均和施工缺陷，细长钢管混凝土柱常承受轴向荷载和弯矩的共同作用。仅靠内部混凝土支撑的钢管容易产生过大的跨中挠度，最终因整体失稳而破坏[4]、[5]。此外，传统加固技术往往会大幅增加结构自重，从而加剧施工复杂性并削弱抗震性能[2]、[6]、[7]。针对这些问题，采用纤维增强聚合物（FRP）对钢管混凝土柱进行外部加固已成为一种可行方案[8]、[9]。CFRP具有自重轻、强度高和耐腐蚀性优异的特点[10]，能够抑制钢管局部屈曲，并同时对钢管和混凝土核心提供约束，而不会过度增加结构自重，从而显著提高组合构件的承载力和延性[11]、[12]、[13]。基于这些优点，大量研究聚焦于FRP加固钢管混凝土柱的力学性能[7]、[14]、[15]。Li等[16]的轴压试验表明，环向CFRP包裹能有效约束钢管和混凝土核心，提高短柱的强度、延性和耗能能力；然而，随着长细比的增加，CFRP的约束效率显著下降——当长径比从3.5增至16时，CFRP的平均极限应变从极限应变的85%降至仅6%。Shen等[15]对部分包裹CFRP的圆形钢管混凝土柱的进一步研究表明，对于细长柱，破坏模式主要由整体失稳控制，破坏时环向CFRP应变通常低于极限应变，这意味着横向包裹对承载力的提升效果有限。Fu等[17]同样观察到，对于CFRP约束的海水海砂钢管混凝土，极限承载力提升随FRP层数增加而提高，但随长细比增加而降低，且约束效率随长细比增加而显著恶化。Wang等[18]指出，在方形CFRP-钢管混凝土柱中，纵向CFRP提高了抗弯刚度，而钢管和CFRP在两个正交方向上表现出良好的协同作用。荷载偏心距已被证明会进一步降低FRP的约束效果[16]。在较大偏心距下，FRP对核心混凝土提供的约束应力沿截面周边分布不均匀，导致约束效率显著下降[8]、[19]。然而，现有关于FRP加固钢管混凝土柱的文献大多局限于轴心受压短柱，对细长柱偏心受压性能的系统研究仍相对缺乏。此外，不同FRP加固方式——环向、纵向或组合——对细长柱偏压性能的影响仍不清楚，相应的设计方法仍有待完善。细长偏心受压钢管混凝土柱与现有试验中占主导的短柱不同。端部弯矩和二阶弯矩共同在截面上产生应变梯度，因此一侧受纵向拉伸，另一侧必须保持受压稳定。然而，破坏仍由整体失稳控制，包裹中的环向应力仅部分且不均匀地沿周边发挥作用。因此，纵向和环向纤维作用于荷载路径的不同部分。当失稳控制时，它们的贡献是否仍然具有可加性，以及随着响应从压缩主导转变为弯曲主导时应该优先考虑哪一种，无法从轴心受压短柱试验中确定。因此，加固方案被作为主要变量处理，并在一个长细比和两个偏心距下比较了三种配置。这使得可以在同一组试件中观察到控制机制的转变，而不是从多个方面同时不同的试验中推断。为弥补这些不足，本研究旨在系统研究CFRP加固细长钢管混凝土柱的偏压性能。设计了8个试件，具有不同的CFRP配置和偏心距。进行了偏压试验以检验加固构件的破坏模式、承载力、刚度、应变响应和延性。建立了有限元模型并针对试验结果进行了验证。进行了参数分析以评估偏心距、长细比和CFRP层数对承载力的影响。研究结果有望为CFRP加固细长钢管混凝土柱的设计优化和实际应用提供参考。章节摘要试件设计为研究CFRP加固方法和荷载偏心距对钢管混凝土细长柱承载力的影响，本试验共设计了8个偏压试件，其中6个采用包裹CFRP布进行加固，2个为未加固的对照试件。试件所用圆形钢管外径为146 mm，内径为140 mm，壁厚为3 mm，所有钢材均为Q235钢。关键试验过程与破坏模式图3展示了偏压细长柱试件的典型破坏模式。钢管混凝土柱的破坏过程包括三个明显阶段。在初始弹性阶段，侧向挠度可忽略不计。当施加荷载达到极限承载力的约70%–80%时，柱表面出现微裂纹，挠度增长率显著加快。超过极限荷载后，试件发生整体失稳，有限元分析本节通过ABAQUS软件建立CFRP加固长圆钢管混凝土柱的有限元模型，并进行相应的有限元分析。偏压极限荷载模型假设钢管、混凝土和CFRP之间无界面滑移。受压混凝土的极限应力取立方体抗压强度fcu，忽略受拉混凝土对抗弯承载力的贡献。CFRP被视为线弹性材料，仅考虑受拉区CFRP有效，忽略受压区CFRP的贡献。结论本文对CFRP布加固的长圆钢管混凝土柱的偏压性能进行了试验研究。同时，建立了相应的有限元模型进行参数分析，以探究不同参数对其偏压承载力的影响规律。主要结论如下：（1）CFRP布与钢管在整个加载过程中保持紧密接触并协调变形，形成了有效的CRediT作者贡献声明Jun He：撰写——初稿，验证，调查，数据管理。Zheming Wen：撰写——审阅与编辑，正式分析。Xuefei Qi：资源，方法学。Yunfeng Pan：监督，资金获取。利益冲突声明作者声明，他们不存在任何已知的可能影响本文报告工作的竞争性经济利益或个人关系。致谢作者衷心感谢陕西省自然科学基金（资助号：2025JC-YBMS-365）、国家自然科学基金（资助号：51808047）、青海省自然科学基金（资助号：2025-QY-249）和（资助号：2026-QY-206），以及陕西省自然科学基础研究计划（资助号：2025JC-YBQN-784）的资助。Jun He|Zheming Wen|Xuefei Qi|Yunfeng Pan