钢约束对含回收玻璃粉（GP）和丁腈橡胶（NR）纤维的可持续钢管混凝土（CFST）短柱轴压性能影响研究

《Buildings》：Effect of Confinement on Sustainable Concrete-Filled Steel Tubular Stub Columns Incorporating Recycled Waste Materials

　　

该研究考察了以玻璃粉（GP）部分替代水泥并以丁腈橡胶（NR）手套作为添加纤维的可持续钢管混凝土（CFST）短柱的轴压性能。研究人员在Abaqus中建立精细有限元（FE）模型，采用混凝土损伤塑性（CDP）模型，并采用修正本构关系以考虑GP和NR纤维的影响。数值模型基于12根试验短柱进行验证。验证结果表明，预测极限荷载与试验值相差在4%以内，荷载-轴向应变行为及破坏模式与试验结果吻合良好。研究人员开展了包含96个FE模型的综合参数研究，以评估钢管直径、厚度和屈服强度以及不同GP和NR纤维掺量的影响。结果表明，尽管掺入GP和NR纤维会降低无约束混凝土抗压强度，但钢管约束可显著补偿该强度损失。钢管约束有效性高度依赖直径-厚度比（D/t），较低D/t比可提供更强约束、更高延性并改善后峰行为。增大管厚和钢屈服强度可显著提高轴向承载力、能量吸收和约束效率，而较大直径虽提高强度但降低延性。与8个现有设计规范和经验模型比较表明，若干经验模型可较接近预测FE结果，而部分设计规范会高估或低估含GP和NR纤维混凝土CFST柱的FE轴向承载力。总体上，该研究证明在提供足够约束时，CFST柱中联合使用GP和NR纤维在结构上可行。研究结果有助于更好理解含GP和NR纤维CFST柱的约束行为，并为其轴向承载力预测提供理论见解，同时为复合结构中这种新型可持续混凝土可靠材料模型的开发奠定基础。

该文围绕建筑行业可持续发展需求，指出混凝土年消费量约300亿吨，水泥约占混凝土质量15%却对应约90%的碳足迹，水泥本身约占全球人为CO₂排放8%；固废处置约贡献全球CO₂排放5%，露天焚烧进一步加剧问题。采用回收废料或工业副产物部分替代水泥是降低混凝土碳足迹的可行策略。废玻璃粉（GP）可减少废玻璃填埋并降低水泥用量，GP在粒径低于75 μm时显示明显反应性，多数研究给出约10%—40%的有效替代范围，但抗压强度通常随GP掺量增加而下降。高强混凝土虽承载力和耐久性较优，但更脆。NR手套是难通过热解和蒸汽气化等常规化学回收处理的废物流，填埋或焚烧会带来排放；NR纤维可改善延性和吸能，但较高掺量会降低抗压强度。仅作者前期研究考察了GP与NR联合使用，发现二者单独及联合掺入均降低抗压强度，钢约束可恢复一半以上强度损失；但该研究仅涉及单一钢管几何，且缺乏该新型可持续混凝土的本构或材料模型。因此，研究空白在于钢管几何与钢材性能变化对GP、NR及GP-NR混凝土约束行为的影响，以及可靠建模框架的建立。为此，研究人员建立并验证有限元（FE）框架，开展96个模型参数分析，系统考察钢管直径、厚度、屈服强度及GP和NR掺量，得出钢约束可补偿强度损失、约束效果受D/t控制等结论，为可持续复合柱设计与后续本构模型开发提供依据。

关键技术方法（不超过250字）：研究采用Abaqus有限元（FE）建模，混凝土采用混凝土损伤塑性（CDP）模型；钢采用弹性-线性硬化本构，填充混凝土采用Tao et al.约束混凝土模型，NR纤维混凝土采用Bompa et al.修正模型，并通过12根试验短柱标定CDP参数。试件队列来自Saleheen et al.前期试验：钢管直径101.6 mm、壁厚3.2 mm、长204 mm，Grade C350L0，屈服强度350 MPa；每批配3个100 mm×200 mm无约束圆柱。混凝土芯用C3D8R、钢管用S4R，网格D/15，硬接触与库仑摩擦0.5，建立96个FE参数模型，考察D、t、f_sy及GP/NR含量。

4 有限元模型验证：通过12根不同填充混凝土短柱验证，FE与试验极限荷载比值为0.96—1.00，均值0.98，变异系数（COV）1.36%，平均绝对误差（MAE）、均方根误差（RMSE）和平均绝对百分比误差（MAPE）分别为17.6 kN、20.3 kN和2.14%；荷载-轴向应变曲线及端部象足屈曲、芯部鼓胀等破坏模式吻合。6.1 性能指标：通过FE参数结果计算极限荷载、峰值应力、强度增强比、强度指数（SI）、钢贡献比（SCR）、混凝土贡献比（CCR）、初始刚度、弹性吸能（EA）和能量延性指数（DI）等，用于量化约束效果。6.2 荷载-变形曲线分析：通过轴向响应分析将曲线分为线性弹性、弹塑性过渡和后峰阶段，并按约束因子ξ将后峰行为分为下降、平台和应变硬化三类；文中指出圆形CFST的ξ约1.1与本研究一致。6.3 钢管直径影响：通过Group 1在t=3.2 mm下改变D为76.1、101.6、165.1、219.1 mm得出，D增大提高初始刚度、EA和极限荷载；D76,C极限荷载572 kN，D增至101.6、165.1、219.1 mm时分别提高50%、223%、423%；D165和D219多为下降型，D76呈应变硬化型，D101控制混凝土为下降型，含GP/NR后向平台或硬化型过渡。6.4 钢管厚度影响：通过Group 2在D=101.6 mm下改变t为1.15、3.2、6.7 mm得出，t增大显著提高刚度、EA和极限荷载；t=1.15,C极限荷载629 kN，t增至3.2和6.7 mm时分别提高36%和111%；t=1.15多为下降型，t=3.2控制混凝土为下降型而含GP/NR向平台型过渡，t=6.7主要为应变硬化型。6.5 D/t比影响：通过Group 1和Group 2共6种D/t（15.2、23.8、31.8、51.6、68.5、88.3）分析SI、强度增强比、SCR、CCR、DI和破坏模式得出，D/t=15.2时SI为1.20—1.33，随D/t增大而降低，超过51.6后接近1.01—1.04但仍大于1；DI由15.2时74降至88.3时3；SCR随D/t降低由0.20增至0.64，CCR反向变化；控制组强度增强比随D/t由88.3降至15.2由1.25增至2.66；高D/t局部屈曲更明显。6.6 钢屈服强度影响：通过Group 3将f_sy由250 MPa增至350和450 MPa得出，控制组极限荷载由724 kN分别提高19%和37%；SI为1.05—1.21并随f_sy增大而提高；SCR由0.41增至0.50，CCR由0.59降至0.50；450 MPa时各混凝土均呈应变硬化型，低强度控制混凝土为下降型，含GP/NR后向平台型过渡。6.7 填充混凝土中GP和NR影响：通过12种混凝土组合及不同D/t下FE分析得出，无约束混凝土中GP使强度降低约15%—20%，NR使强度降低约14%—22%，GP30-N10最大降低约32%；在CFST中D/t=15.2时最大降幅由32%降至约15%，恢复约17%，D/t=88.3时降幅约26%，仅恢复约6%，说明低D/t约束更能补偿强度损失。7 与现有理论模型比较：通过96个FE模型与8个设计规范和经验模型比较并定义模型误差（ME）得出，Eurocode和AS 5100均值ME为0.90，倾向高估；AISC 360均值1.15，倾向低估；AIJ均值1.05且COV最低3.09%；经验模型中Goode and Narayanan均值1.00、Sakino et al.为0.99、Han et al.为1.01；Sakino et al.、Goode and Narayanan及AIJ预测最接近。

讨论部分指出：验证仅基于12根试验短柱，参数研究外推到试验未覆盖参数时仍存在不确定性，建议扩大试验验证；由于缺乏NR纤维混凝土专用本构，采用Bompa et al.修正模型进行工程近似，需更大队列验证，并建议未来发展NR纤维混凝土本构；CO₂减排讨论仅限水泥减少和废物利用，未开展详细环境评估和生命周期评估，且估算未计入废玻璃收集和研磨为GP的排放，建议未来研究。研究结论翻译如下：Abaqus中建立的FE模型与试验结果吻合良好，极限荷载比值为0.96—1.00；掺入GP（10%—30%）和NR纤维（0.5%—1%）会降低无约束混凝土抗压强度，混合掺入最大降低约32%，但钢约束可有效减轻该损失；增大钢管厚度和直径可显著提高轴向刚度、能量吸收和极限荷载，但固定厚度下增大直径会提高D/t并使后峰由应变硬化转为应变软化，增大厚度则产生相反效果；约束有效性受D/t强烈控制，较低D/t显著改善强度、延性和后峰稳定性，较高D/t降低约束效率并表现更脆；提高钢屈服强度可增强轴向承载力和约束相互作用，导致更高强度指数和更好后峰性能；FE轴向承载力与若干理论模型和设计规范比较后，Sakino et al.和Goode and Narayanan模型及AIJ设计规范对FE极限荷载预测最接近；总体上，在足够约束下GP和NR纤维混凝土可有效用于CFST柱，研究量化了钢几何和材料性能对约束行为的影响，为未来本构模型和设计指南发展提供基础。