预应力薄壁圆钢管约束混凝土短柱轴压性能

《Case Studies in Construction Materials》：Axial compressive performance of prestressed thin-walled circular steel tube-confined concrete short columns

　　

研究人员提出了一种基于拉杆施加环向预应力的新型方法，用于制备预应力薄壁圆钢管约束混凝土（PSTCC）短柱。为研究其轴压性能，以预应力度（k）和钢管径厚比（D/t）为主要参数进行了轴压试验。获取了包括破坏模式、荷载-位移曲线和荷载-应变曲线在内的试验结果，并据此分析了轴压性能。此外，建立了有限元（FE）模型模拟其轴压性能，并提出了计算极限轴压承载力（Nu）的公式。结果表明，PSTCC短柱表现出压剪、压弯和鼓曲三种破坏模式，其中鼓曲破坏是最理想的延性破坏模式。钢管的局部屈曲得到有效抑制，内部混凝土核心的轴压强度得到提高。与非预应力PSTCC短柱相比，其轴压承载力、刚度和延性均显著提升。有限元模拟结果与试验数据吻合良好，所提出的极限轴压承载力计算公式合理有效。

研究背景：圆钢管混凝土（CFST）凭借钢与混凝土的组合作用，在现代结构工程中应用广泛，但圆钢管混凝土（CFCST）存在界面粘结弱和约束不足的局限。现有内部加劲、外部约束及材料改性等强化措施各有不足：内部加劲对混凝土核心约束压力提升有限且施工困难；外部约束无法充分约束构件整体，施工质量难保证；膨胀混凝土或自应力自密实混凝土（SSSCC）在密封钢管内膨胀受限，且无法长期补偿收缩和钢管扩张导致的约束退化。虽有研究提出预应力钢管约束混凝土概念，但现有方法或导致结构不连续，或约束效果不稳定。为此，研究人员提出一种基于拉杆对薄壁圆钢管施加环向预应力的新方法，制备预应力薄壁圆钢管约束混凝土（PSTCC）短柱，通过混凝土核心上的弧形槽提供变形空间以增强初始约束，旨在实现主动约束、提高界面粘结并抑制局部屈曲，具有更高且更稳定的主动约束压力，避免长期退化。该研究对于推动预制装配式结构中的竖向承重构件应用具有重要意义，相关论文发表在《Case Studies in Construction Materials》。

关键技术方法：研究人员共制作16个轴压试件，包括4个对照试件和12个PSTCC短柱试件，试件混凝土核心直径D_c统一为108 mm，高440 mm，长径比4。以预应力度（k=σ_con/f_y）和钢管径厚比（D/t）为主要参数，设计D/t为74、56和45三组，每组含一个非预应力对照及k为0.15、0.30、0.45的预应力试件。通过在钢管轴向钻孔并安装弧形槽模具，浇筑C30混凝土后，利用应变片监测，拧紧拉杆对钢管施加环向预应力至目标应变（ε_con=kε_y）。采用2500 kN液压试验机进行位移控制轴压试验，预加载后采集荷载、位移及应变数据。

研究结果：

1. 3.
   破坏模式与破坏过程
   3.1. 破坏模式
   通过分析试件破坏形态，研究人员发现PSTCC短柱存在三种破坏模式，并随k和D/t变化：压剪破坏主要出现在非预应力或较大D/t、较低k试件，表现为中部的斜剪局部屈曲；压弯破坏出现在中等D/t或较高k试件，表现为单侧局部压曲和弯曲；鼓曲破坏仅出现在最小D/t（45）和最高k（0.45）的试件PSTCC?45–0.45，呈现整体均匀横向膨胀鼓曲而无明显局部屈曲。随着k增加和D/t减小，破坏模式由压剪向压弯再向鼓曲转变，鼓曲为最理想的延性破坏模式。非预应力试件均发生压剪破坏，主动约束有效改变了失效路径。

3.2. 破坏过程

选取三种典型试件描述过程：压剪破坏试件PSTCC?74–0.15在位移10.5 mm达极限荷载507.11 kN，伴随严重屈曲和混凝土压碎，最终呈剪切失效；压弯破坏试件PSTCC?56–0.30在位移11.8 mm达极限697.91 kN，单侧屈曲并发展弯曲；鼓曲破坏试件PSTCC?45–0.45在位移11.8 mm达极限820.29 kN，整体均匀鼓曲，仅中高度轻微屈曲。所有试件初始均出现压缩鼓曲，但因预应力和径厚比不同导致最终破坏形态差异，高预应力和小径厚比组合显著增强对核心混凝土的约束，延缓破坏。

1. 4.
   试验结果与分
   4.1. 荷载-位移曲线
   基于试验数据绘制荷载-位移（N-Δ）曲线，划分为弹性、弹塑性和塑性破坏三阶段。初始刚度评估弹性阶段性能，屈服荷载（N_y）和屈服刚度（K_y）评估弹塑性阶段，极限荷载（N_u）评估塑性破坏阶段，延性指数（DI）按公式计算。结果表明，与非预应力试件相比，PSTCC试件初始刚度最大提升达2.61倍（D/t=74组）；屈服荷载最大提升16.16%（D/t=56组）；极限承载力最大提升14.20%（D/t=74组）；屈服刚度最大提升44.76%；延性指数最大提升164.14%。预应力的施加有效提高了钢管对核心混凝土的约束压力，显著改善了各阶段的轴压性能，且增强幅度优于同类预应力钢管混凝土短柱研究。

4.2. 荷载-应变曲线

分析典型试件（D/t=74，k=0.45）的荷载-应变曲线，发现预应力试件的轴向应变在相同荷载下明显低于非预应力试件，且环向预应力对钢管自身轴压承载力无显著影响。环向预应力使混凝土核心在轴压前进入三向应力状态，从而提高其轴压强度，证实了PSTCC的轴压机理。

总结讨论：研究人员通过试验与有限元模拟，系统揭示了PSTCC短柱的轴压性能。环向预应力通过拉杆施加，提供了主动约束，有效抑制了钢管局部屈曲并提升了核心混凝土强度。破坏模式随参数演变的规律表明，采用高预应力度（k=0.45）和小径厚比（D/t=45）可获得延性优良的鼓曲破坏。所建立的有限元模型与试验数据吻合良好，提出的极限轴压承载力计算公式合理有效。该研究为预制装配式建筑结构中的竖向承重构件设计提供了理论依据和新技术途径，具有重要的工程应用价值。论文结论部分指出：PSTCC短柱表现出压剪、压弯和鼓曲破坏模式，其中鼓曲模式最为理想；局部屈曲被有效约束，核心混凝土轴压强度提高；与非预应力试件相比，其承载力、刚度和延性显著增强；有限元模拟结果与试验数据吻合良好，提出的极限轴压承载力计算公式合理有效。