大型方形钢管混凝土柱（带加劲肋和拉杆）的轴向性能

《Journal of Constructional Steel Research》：Axial behavior of large-scale square CFSTs with stiffening ribs and tie bars

　　- 提出了一种通过对拉钢筋连接相对加劲肋的加劲方案。- 直径12 mm、间距150 mm的对拉钢筋能够有效改善轴压性能。- 当等效体积对拉钢筋配筋率不低于0.3%时，可以减小加劲肋宽度。- 提出了带加劲肋和对拉钢筋的钢管混凝土柱轴压承载力预测方法。**引言**钢管混凝土（CFST）柱得益于钢管与核心混凝土之间的组合作用，具有较高的承载力和良好的延性，因此在现代建筑结构中得到了广泛应用 [1], [2], [3], [4]。本研究的工程背景为405 m高的超高层日照中心，该结构采用了截面宽度为2500 mm的钢管混凝土柱。对于此类大截面构件，内部隔板的安装和制作相对困难，而仅设置加劲肋可能无法提供足够的加劲效果。因此，采用了加劲肋与对拉钢筋的组合形式。图1(a)展示了结构的整体配置。根据设计规范 [5], [6]，大截面钢管混凝土柱需要采取加劲措施，如内部隔板或加劲肋，如图2(a)和(b)所示。以往研究探讨了多种内部加劲方式以改善方形钢管混凝土柱的轴压性能 [7], [8], [9]。加劲肋可以约束钢管壁的向外变形和局部屈曲，从而改善薄壁钢管混凝土柱的轴压性能 [10], [11], [12]。内部隔板为钢管和核心混凝土提供了相对较强且连续的横向约束 [13], [14], [15], [16], [17]；然而，对于大截面构件，其制作和安装变得日益复杂 [18], [19]。对拉钢筋通过连接相对的钢管壁提供横向约束，从而增强对核心混凝土的约束 [20], [21], [22]。然而，以往研究大多集中于单一加劲措施，对加劲肋与对拉钢筋组合使用的系统性研究仍较为有限。此外，现有研究多集中于截面宽度约为300 mm的试件 [23], [24], [25]。已有研究表明，小尺寸方形钢管混凝土试件可能表现出比大尺寸试件更高的强度和更大的变形能力 [26], [27], [28]。例如，Chen等人 [26] 报道，将截面宽度从156 mm增加到1040 mm会使峰值应力降低约11%，而截面宽度为832 mm和1040 mm时的峰值应变分别比156 mm时低约25%和19%。因此，直接从小尺寸试验外推可能会高估较大构件的强度和变形能力。本研究采用600 mm的截面宽度，以缩小常规小尺寸试验与工程应用之间的尺度差距。在此背景下，针对大截面钢管混凝土柱提出了一种包含加劲肋和对拉钢筋的组合加劲方案，如图2(c)所示。基于本研究的成果，日照中心项目C1和C3柱在设计阶段采用了加劲肋与对拉钢筋的组合配置，该项目目前正在建设中，如图1(b)所示。为进一步阐明同时设置加劲肋和对拉钢筋的大截面方形钢管混凝土的轴压性能，本研究采用了试验研究和有限元（FE）分析。共制作并测试了15根大截面方形钢管混凝土柱，包括7种不同加劲配置的14根试件和1根无加劲试件。试验后，建立了有限元模型并进行了验证。随后通过分析破坏模式、荷载–纵向应变响应、应力分布和加劲肋宽度，阐释了带加劲肋和对拉钢筋的方形钢管混凝土柱的轴压行为。结合试验和有限元结果与Mander模型，提出了轴压承载力预测方法。**章节摘要****试件详情**试验方案包括15根大截面方形钢管混凝土柱，涵盖7种不同加劲配置和1种无加劲配置。每种加劲配置制作两个试件以评估试验结果的重复性并减少试件间变异性的影响，同时设置1根无加劲试件作为对照组。考虑到试件尺寸较大以及相应的材料、制作和试验成本，额外的重复试件…**观察到的行为和破坏模式**图7(a)展示了同时设置加劲肋和对拉钢筋的试件（CFST-75-L）的荷载–位移响应。在加载初期，施加荷载与位移之间近似呈线性关系，试件表面无明显变化。当荷载达到16,645 kN（对应0.68*N*u）时，试件发出轻微声响，表明核心混凝土与钢管之间可能发生脱粘。未观察到局部屈曲…**建模策略**采用ABAQUS建立有限元（FE）模型并进行有限元分析。对于不同加劲配置的方形钢管混凝土柱，几何尺寸与2.1节所述试验中使用的尺寸保持一致。核心混凝土采用C3D8R单元模拟，钢管、内部隔板、加劲肋和端板采用S4R单元模拟。对拉钢筋采用T3D2单元。为平衡计算精度和…**与现有设计方法的比较**为评价现有设计方法对不同加劲配置方形钢管混凝土柱的预测精度，分别采用JGJ 138–2016 [6]、EN 1994-1-1 [44]、AISC 360–22 [45]以及Wang等人 [15] 提出的基于约束的模型计算了轴压承载力。规范中的计算方法见式(5)（JGJ）、式(6)（EC4）和式(7)（AISC）。如表5所示，将计算结果与试验结果进行对比以评估…**结论**本文系统总结了带内部隔板、加劲肋以及加劲肋与对拉钢筋组合的大截面方形钢管混凝土柱在轴压作用下的试验结果。建立了相应的有限元模型并进行了验证，随后开展了全面的参数分析。可得出以下结论：(1) 带加劲肋和对拉钢筋的方形钢管混凝土柱表现出与带内部隔板的构件相似的破坏模式，其特征为局部…**CRediT作者贡献声明****Lanhui Guo：** 写作 – 审阅与编辑，监督，经费获取，概念化。**Bingyu Hou：** 写作 – 初稿，方法学，数据管理。**Yan Xu：** 写作 – 审阅与编辑，监督，概念化。**利益冲突声明**作者声明，不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。**致谢**本工作得到国家自然科学基金（资助号：52478160）和黑龙江省科技精英与创新人才项目（资助号：RC2025CX034）的资助，特此致谢。Lanhui Guo|Bingyu Hou|Yan Xu