铝合金管约束地聚合物混凝土柱偏心受压性能与设计

《Case Studies in Construction Materials》：Eccentric Compression Behavior and Design of Aluminum Alloy Tube-Confined Geopolymer Concrete Columns

　　

铝合金管约束地聚合物混凝土（GPC）柱的偏心受压响应与设计尚缺乏充分的量化研究。本研究结合11根空心6063-T5方形铝合金管柱试验、6组既有普通硅酸盐水泥混凝土（PCC）填充铝合金管柱偏心受压试验以及经校验的有限元分析，考察GPC填充构件的受力性能。有限元模型再现了6组PCC试验承载力，试验值与数值值之比均值为0.9978，变异系数为2.86%。在几何参数匹配条件下，以GPC替代PCC使预测极限承载力提高1.13%~3.94%（均值2.40%），同时初始刚度降低但峰后响应更为平缓。参数分析表明：偏心比由0.25增至0.75使承载力降低45.86%，长细比由24增至38使承载力降低20.34%，B/t由53减至23使承载力提高45.97%。提出了包含偏心与长细比折减系数的设计表达式，并基于19个数值算例进行标定；数值值与预测值之比均值为1.0107，变异系数为5.41%。研究结果为轴力与弯矩共同作用下的轻质低水泥复合柱提供了初步设计依据。

铝合金具有密度低、比强度高、耐腐蚀和可回收等优点，已逐步应用于桥梁、海洋结构、大跨度结构和预制建筑中。在铝合金管内填充混凝土可进一步提高受压构件的刚度、稳定性和承载能力。Zhou和Young的研究表明，铝管与混凝土芯之间的相互作用可显著提高复合柱的强度和变形能力。然而，由于铝合金弹性模量相对较低，铝合金受压构件仍易发生局部屈曲、整体屈曲及其相互作用。近年来，研究人员对不同加载条件下混凝土填充铝合金管柱的力学性能进行了研究。Wang等发现填充混凝土可有效延缓薄壁铝合金管的局部屈曲；Chen等表明偏心距显著影响圆形混凝土填充铝合金管柱的应力分布、受弯变形和极限承载力；Zhang等亦证实了高强铝合金管约束混凝土短柱中的有利约束效应。然而，既有研究大多采用普通硅酸盐水泥混凝土（PCC），对低碳替代填充材料的关注有限。地聚合物混凝土（GPC）由粉煤灰、矿渣等铝硅酸盐材料经碱激发制备。Davidovits建立了地聚合反应的基本理论，后续研究阐明了反应机理及配合比组成对GPC性能的影响。合理设计的GPC可提供具有竞争力的抗压强度、良好的耐久性和有利的耐热性。但GPC通常弹性模量较低，且峰后响应与PCC不同，这可能影响管状复合柱的刚度、约束机理和破坏行为。目前关于地聚合物填充管状构件的研究主要集中于钢管。Li等研究了GPC与钢管间的粘结滑移行为，Liu等考察了地聚合物混凝土填充钢管细长柱的轴压性能，结果证实了GPC应用于管状复合结构的可行性。然而，这些成果不能直接应用于铝合金管，因为铝合金弹性模量较低、应力-应变关系呈非线性且局部屈曲特性不同。在偏心受压下，轴力、弯矩、材料非线性、管约束和二阶变形相互作用，这些差异更为显著。此外，现行中国铝合金结构设计规范未提供铝合金管约束GPC柱的设计方法。GPC复合柱的发展符合可持续建筑材料的需求。既有研究考察了改性混凝土的高温和冲击性能、GPC在保温墙板中的应用，以及花岗岩粉、高吸水性聚合物和废大理石粉对混凝土性能的影响；相关结构研究还考察了钢-混凝土组合板和大掺量粉煤灰混凝土板。这些研究表明低碳材料在结构工程中的潜力，但铝合金管约束GPC柱的偏心受压行为和约束机理仍认识不足。因此，本研究对方形铝合金管约束GPC柱的偏心受压性能进行研究。首先，对11根空心6063-T5铝合金柱进行试验，考察外包管的局部-整体屈曲行为，材料性能按相关拉伸试验标准确定。其次，建立有限元模型并基于6组PCC填充铝合金管柱偏心受压试验进行校验。随后将校验后的模型扩展至GPC填充柱，考察偏心比、构件长细比和管宽厚比对承载力、刚度、变形和约束行为的影响。最后，基于混凝土填充管状结构的一般设计框架，引入偏心与长细比折减系数，建立初步承载力计算公式并界定其适用范围。

研究人员开展了以下研究：第2节对铝合金柱进行试验分析。空心试件由无缝6063-T5方形铝合金管制成，选用方形截面是因为平板更易发生局部屈曲，且为后续分析的方形复合柱提供直接试验依据。主要变量为边长B、长度L、壁厚t和荷载偏心距e，共测试11根中长柱。除FZ3E0外，板件宽厚比B/t均超过GB 50429规定的限值，从而可考察局部-整体相互作用。拉伸试验按GB/T 228.1-2010进行，从6063-T5铝合金构件中取9个拉伸试件，按厚度（3 mm、4 mm、5 mm）分为三组，每组3个，测定应力-应变本构关系。应变片布置于L/4、L/2和3L/4处（共12片），两个位移传感器测量轴向缩短，两个传感器测量弯曲方向中部侧向位移。偏心加载通过使作动器力线与截面形心轴保持预定偏移e实现，端部夹具约束柱端平动及绕y轴和z轴的转动，采用位移控制加载，速率0.1 mm/min。

第3节对铝合金-混凝土柱进行数值模拟分析。采用6根既有方形PCC填充铝合金管柱试验校验有限元模型，试件B=160 mm，包含两种长度（1280和1920 mm，长细比32和48）、两种管厚（3和10 mm）和两种偏心距（20和40 mm）。材料本构方面：铝合金采用Rammberg-Osgood连续性模型，应变硬化指数按Steinhardt假定n=f0.2/10确定，并由名义应力应变推导真实应力与真实塑性应变输入ABAQUS；混凝土采用混凝土塑性损伤模型（CDP），并采用Han等提出的方管约束混凝土应力-应变模型，输入参数为膨胀角30°、偏心率0.1、K=0.667、粘性系数0.0005。校验结果表明，实测极限承载力与有限元预测值之比均值为0.9978，标准差0.0285，变异系数0.0286，平均绝对百分比误差2.49%，极限荷载均方根误差15.47 kN。模型预测的初始刚度偏高，原因是模拟采用理想端部接触、几何对中及单一预设缺陷模态，而试验包含端板就位、作动器/试件对中误差、分布初始弯曲、局部板件缺陷和加载系统柔度等因素，这些因素对早期位移响应的影响强于对峰值承载力的影响。荷载-跨中挠度曲线的吻合一般优于轴向缩短曲线，因为跨中挠度受端板就位和试验机柔度影响较小。

第4节开展铝合金-地聚合物柱算例研究。相较于铝合金-波特兰水泥混凝土（AAC）构件，铝合金-地聚合物混凝土（AGC）体系在环境效益和结构性能方面优势更显著：GPC以工业固废为主要原料，可显著降低水泥用量和碳排放；其三维硅铝酸盐网络结构赋予材料早期强度发展快、界面稳定性好和耐久性优良等特点，有助于改善铝管与芯部混凝土的协同受力。地聚合反应机理分为三步：固体矿物中的硅铝在OH?作用下溶出；溶解的硅酸根和铝酸根离子通过扩散、取向和缩聚形成聚合物单体；聚合物单体经缩聚连接形成大分子聚合物，最终形成地聚合物缩聚大分子Mx[-(Si-O)w-Al-O-]n·zH2O。GPC因原料类型和制备工艺差异，力学性能离散较大；同一强度等级下GPC弹性模量通常低于PCC，但早期抗压强度高、耐高温和耐化学腐蚀性优良，结构性能总体与PCC相似并基本满足现行结构设计规范要求。GPC本构关系通过在PCC约束混凝土曲线基础上修正得到：峰值应力替换为所选GPC抗压强度，初始上升段斜率降低以反映同等强度GPC较低的弹性模量，峰后段调整以再现无约束基体更脆的响应同时保留约束相关软化，仍采用相同CDP框架和30°膨胀角，使PCC-GPC差异源于单轴应力-应变输入而非无关数值设置。铝合金本构与第3.1.1节定义一致。通过有限元模拟定量提取铝管与芯部GPC的荷载分担特征：偏心加载初期，GPC因截面积较大承担很大比例荷载，混凝土承担比例达83.76%；随加载至A点，混凝土承担比例开始下降，因为铝管弹性模量约为GPC的两倍，刚度更大、强度增长更快；随加载位移增大，铝管承担比例迅速上升，但GPC承担荷载仍大于铝管；加载至B点时铝管充当GPC的环向约束增强其强度，此时铝管已屈服，其承担比例不再增加，铝管与GPC峰值荷载位置接近，表明两种材料协同工作良好；加载至C点，GPC破坏导致其强度下降，混凝土承担比例逐渐下降，铝管承担比例上升至约30%。由于铝管刚度较高，其维持较高承载能力，缓解了GPC损伤对承载力的影响，使荷载-位移曲线下降段相对平缓，保证良好延性。

PCC与GPC构件对比表明：弹性阶段两者总体响应趋势一致，但GPC构件因GPC弹性模量较低，初始刚度略低；GPC构件极限承载力总体高于PCC构件；当铝管壁厚增至10 mm时，铝管截面积占比显著增大，受力机理逐渐转为外包铝管主导，两者极限承载力差异减小并趋于一致；峰后阶段芯部材料逐渐退出承载，荷载主要由铝管承担，两类构件下降段行为相似、总体退化趋势基本一致。当铝管较薄（铝含量较低）时，芯部混凝土对构件承载力影响更显著，GPC与PCC极限荷载相差约4.30%；当铝管较厚（铝含量较高）时，芯部混凝土影响减弱，差异约1.13%。荷载-挠度曲线形状相似，荷载-变形行为极为相似，因此GPC可在后续中长柱复合结构模拟分析中替代混凝土。

参数分析方面：以GPC-R3-1280-X为基准，偏心比取0.25、0.38、0.5、0.63、0.75。随偏心距增大，曲线斜率变缓，初始刚度显著降低；偏心比较大的试件峰值荷载对应轴向位移和挠度增大，刚度降低，荷载-位移曲线下降段更平缓，延性更好。偏心比由0.25增至0.50使极限承载力由755.24 kN降至598.77 kN（20.72%），进一步增至0.75降至408.93 kN，总降幅45.86%。较大弯矩梯度加速受拉侧卸载，削弱该侧约束发挥，增大跨中膨胀/挠度，使响应向受弯屈曲转变。以GPC-R3-X-20为基准，长细比取24、28、32、36、38。随长细比增大，曲线斜率变缓，初始刚度显著降低；长细比较大的试件峰值荷载对应轴向位移和挠度增大，刚度降低，下降段更平缓，延性更好；荷载下降至一定程度后曲线进入稳定阶段，高长细比中长柱试件均发生受压屈曲破坏，承载力持续下降。长细比由24增至38使极限承载力由841.15 kN降至670.03 kN（20.34%）。较大长细比放大了二阶弯曲和跨中侧向膨胀，降低了有效约束均匀性，增大了峰值荷载对应位移，因而延性提高而强度和初始刚度降低。以GPC-RX-1280-20为基准，径厚比取23、27、32、40、53。随径厚比增大，曲线斜率变陡，初始刚度增大但幅度不大。B/t由53减至23（通过增大管厚）使极限承载力由755.24 kN增至1102.38 kN（45.97%）。较厚管提供更强侧向约束，延缓GPC芯部向外膨胀和铝板局部屈曲，提高初始刚度；在所分析范围内峰后变形能力变化相对有限。各参数并非独立作用：较高偏心距和较大长细比均放大二阶弯曲并削弱管可发挥的均匀约束，二者组合比任一参数单独处于低水平更为不利；较小B/t（较厚管）通过提高抗弯刚度和约束抗力部分抵消该效应。

第5节提出铝合金管地聚合物柱承载力计算公式。目前复合构件承载力计算方法主要有统一理论和极限平衡理论。本文结合有限元模拟数据与理论分析，采用考虑复合构件多材料叠加的方法，参考国内外钢管混凝土承载力计算公式，考虑偏心对中长柱稳定承载力折减系数的影响，对偏心加载下中长铝合金管GPC柱承载力折减系数进行修正，并将公式计算结果与有限元模拟结果对比验证。工程应用中铝合金与钢的用法相似，既有研究多基于钢-混凝土复合结构变形理论外推适用于钢-混凝土复合材料的承载力公式。钢管混凝土承载力计算规范采用极限平衡理论和统一理论，基于既有文献和数据，可选用CECS 28:2012规范进行铝合金管混凝土设计计算，因其对这类结构承载力拟合良好。该规范给出了不同截面形式下轴压-弯构件在轴压和弯矩作用下的承载力计算公式，其中N0为钢管混凝土柱受压承载力，θ为套箍系数，β为强度调整系数，fs为钢材屈服强度，fc为混凝土轴向抗压强度，As为钢材截面积，Ac为混凝土截面积。研究人员参照叠加法，假定铝合金管与混凝土芯独立抵抗轴压，通过耦合方法获得总体承载力；考虑铝合金弹性模量相对钢较低（约为三分之一），采用折减系数γ=0.33以反映约束刚度降低。参数分析表明，对于同类GPC在相同径厚比下，长细比和偏心距是影响中长铝合金管GPC柱承载力的关键参数。基于既有铝合金管混凝土承载力计算方法并采用CECS 28:2012规范公式，推导出中长铝合金管GPC柱承载力计算公式ND=φl·φe·N0，其中N0表示铝合金管GPC极限抗压强度，φe为偏心折减系数，φl为长细比折减系数。根据极限平衡理论和典型轴力-弯矩曲线，偏心受压柱在轴力和弯矩共同作用下的屈服曲线为凸曲线；与任何静定稳定压弯构件一样，偏心较小时屈服曲线可简化为直线，其方程为Nu/N0+a·Mu/M0=1，其中a为待定系数，N0为极限轴压承载力，Nu为偏压极限承载力，M0为纯弯极限弯矩，Mu为偏压极限弯矩。纯弯极限弯矩M0=N0·r·b，r为混凝土截面半径，b为小于1的待定系数；Mu=Nu·e0，φe=Nu/N0，代入可得φe=1/(1+c·e0/r)，φe与e0/r构成双曲线，折减系数呈非线性变化。偏心系数通过对e/B=0.25~0.75、长细比24~38的有限元结果进行非线性回归标定，在保持轴力-弯矩相互作用关系所要求的单调折减前提下，通过最小化数值与预测承载力差的平方和选取系数，得φe=1/(1+1.152·e0/r)。关于长细比折减系数，鉴于铝合金复合柱研究仍处于探索阶段，国内外尚无专门针对该类构件的设计规范；为确保计算体系的严谨性和通用性，参照《钢管混凝土结构技术规范》并采用钢管结构计算体系确定构件长细比。需指出，尽管填充材料和外包材料属性已改变（由钢变为铝合金、由混凝土变为地聚合物），长细比λ作为描述构件几何细长程度和边界约束的无量纲参数具有普遍适用的物理定义，因此继续采用该参数进行稳定分析是合理的，便于与传统钢管混凝土结构的力学响应直接比较。长细比折减系数为φl=1?0.115√(Lc/D?4)，其中e0为柱端轴压较高处的偏心距（mm），rc为核心混凝土截面半径（mm），M2为核心复合柱端较大弯矩设计值（N·mm），N为核心混合轴压设计值，D为钢管外径（mm），Le为钢管等效外长度（mm）。铝合金管GPC承载力公式为ND=φl·φe·N0。将所提公式与19个有限元算例对比，数值与计算值之比范围为0.931~1.110，均值1.0107，标准差0.0547，变异系数5.41%；均值接近1表明总体偏差较低，离散度界定了当前预测不确定性。该公式适用于B=160 mm、23≤B/t≤53、24≤λ≤38、0.25≤e/B≤0.75的方形铝合金管，且材料性能与本文一致；未经额外验证不得外推至圆截面、该范围外的轴压加载、不同GPC前驱体/养护体系、高温、循环加载或长期效应。

结论部分：(1)空心铝合金管试验表明，破坏模式由板件宽厚比与构件长细比的相互作用控制；长细比较小的构件主要受局部板件屈曲控制，而随构件长细比增大，整体失稳影响愈发显著。初始几何缺陷影响局部凹陷和向外凸起的位置与方向，荷载偏心增大截面应力梯度并促进整体受弯屈曲。这些观察为复合柱外包铝合金管失稳建模提供了试验依据。(2)有限元模型基于6组PCC填充铝合金管柱偏心受压试验校验，实测与数值承载力之比均值Nue/Nua为1.0029，变异系数2.79%，平均绝对百分比误差和均方根误差分别为2.29%和18.15 kN。尽管模型因理想化加载系统柔度、端板就位、对中误差和分布几何缺陷而略高估初始刚度，但其准确再现了极限承载力和总体荷载-变形响应。(3)对6个几何匹配工况，以GPC替代PCC使预测极限承载力提高1.13%~3.94%，平均提高2.40%。GPC较低弹性模量导致初始刚度较低，而管约束的逐步发挥和荷载重分布产生更平缓的峰后响应。偏心比η=2e/B由0.25增至0.75使极限承载力降低45.86%，长细比λ由24增至38使其降低20.34%；相反，通过增大管厚使B/t由53减至23使极限承载力提高45.97%。偏心距和构件长细比共同加剧二阶弯曲并削弱GPC芯部的均匀约束，而增大管厚可部分缓解这些不利效应。(4)所提承载力公式引入偏心与长细比折减系数，基于19个有限元算例评估，数值与预测承载力之比范围为0.931~1.110，均值1.0107，变异系数5.41%，表明总体预测偏差较低。该公式适用于23≤B/t≤53、24≤λ≤38、0.25≤η≤0.75的方形铝合金管约束GPC柱，且材料性能和边界条件与本研究一致。(5)所提方法仍属初步，因为GPC填充柱主要通过基于校验PCC有限元框架的本构模型移植进行研究。后续研究应包括GPC填充铝合金管的直接材料和柱试验、实测几何缺陷、循环和高温加载、长期耐久性以及全生命周期碳排放评估，以扩展所提公式的适用性并在工程设计采用前量化该复合体系的环境效益。