带有连接杆的高强度钢纤维混凝土（HCFDST）柱在风力涡轮塔应用中的抗压性能

《Journal of Constructional Steel Research》：Compressive behavior of HCFDST columns with binding bars for wind turbine towers

　　

摘要

近年来，混凝土填充双皮钢管（CFDST）柱在风力涡轮机塔中得到了广泛应用。随着塔架高度的增加，大型构件的运输成为一个关键限制因素，这就需要在不增加构件尺寸的情况下提高承载能力的结构解决方案。为了解决这一挑战，提出了一种新型的中空夹层CFDST系统，并通过实验和数值分析对其进行了系统研究。共有五个 specimen 进行了轴向压缩测试，其中四个包含绑扎钢筋，一个为未经加固的参考 specimen。研究了绑扎钢筋的数量和间距对结构性能的影响。分析了关键的结构响应，包括破坏模式、载荷-位移行为、初始轴向刚度、极限强度、延展性和载荷-应变关系，以评估所提出配置的有效性。结果表明，添加绑扎钢筋提供了显著的横向约束作用，从而显著提高了轴向压缩性能。具体而言，与未经加固的 specimen 相比，极限承载能力提高了高达 13.68%。随后开发了一个有限元模型，并根据实验结果进行了验证，接着进行了广泛的参数研究，以探讨关键设计参数的影响。最后，评估了四种现有的设计规范和文献中的分析模型在预测带绑扎钢筋的 HCFDST 柱的极限压缩强度方面的准确性。结果表明，当前的方法可以有效地应用于所提出的系统。

引言

混凝土填充双皮钢管（CFDST）结构 [1]、[2]、[3] 因其优越的结构性能而得到广泛认可，这归功于钢和混凝土之间的协同作用。这些复合构件具有较高的承载能力、优异的延展性和增强的防火性能 [4]、[5]、[6]，因此在近年来被广泛应用于海上风力涡轮机塔、桥墩和地下结构 [7]、[8]。然而，随着对轻质和大型结构需求的增加，CFDST 构件正在向具有较大空心比和薄壁钢管的配置发展，这使得钢管更容易发生局部屈曲。这一问题已成为限制其承载能力和结构安全性的关键因素 [9]、[10]。风力涡轮机支撑结构在服役期间会受到复杂的载荷作用，包括轴向压缩、弯曲、扭转和剪切 [11]。图 1 展示了风力涡轮机的主要载荷。由空气动力推力 F_XH 和风荷载 q(z) 产生的弯矩 M< /> 和 M_YT 由 HCFDST 柱承受。同时，支撑结构还会受到风力涡轮机重力 G₁ 和顶部钢构件自重 G₂ 造成的轴向压缩。因此，作用在柱子上的力可以归纳为弯矩和轴向压缩的合力。此外，承受最高压缩应力的区域特别容易发生与压缩相关的破坏。从这个角度来看，分析带绑扎钢筋的 HCFDST 的压缩行为为研究其抗压-抗弯性能提供了基础。塔的整体轴向压缩能力主要取决于带绑扎钢筋的 HCFDST 的压缩性能，因此研究其压缩性能对于塔的设计至关重要。 accordingly，开发具有高刚度、优异稳定性和经济效率的塔系统已成为工程实践中的关键目标 [12]。

近年来，对 CFDST 构件的轴向行为进行了大量的实验和理论研究 [13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]。然而，仅依靠钢管的 CFDST 构件的约束效果相对有限。为了克服这一限制，提出了各种加固技术，包括绑扎钢筋 [19]、[20]、[21]、[22]、加固件 [23]、[24]、[25]、[26]、钢筋 [27]、[28]、[29]、钢板 [30]、多腔结构 [31]、[32]、[33]、外部约束 [34]、[35] 以及预应力 CFDST [36]。先前的研究表明，绑扎钢筋可以为内外钢管提供横向约束，从而增强核心混凝土的三轴约束作用并延缓钢管的局部屈曲 [37]。Cai 等人 [38]、[39] 和 Zuo 等人 [40]、[41] 对带有绑扎钢筋的方形、矩形和 L 形 CFDST 柱在轴向和偏心载荷下的实验和理论研究表明，与传统 CFDST 柱相比，这些构件的强度、刚度、延展性和能量耗散能力显著提高。此外，Long 和 Zeng [42] 通过引入绑扎钢筋的间距比和直径等参数，改进了 Cai 和 Long [43] 提出的理论模型。Ayough 等人 [44]、[45] 对八根 CFDST 柱进行了轴向压缩测试，并进行了有限元分析，以研究螺栓剪切连接器的效果，表明减小连接器间距可以显著提高轴向承载能力。Liao 等人 [46] 对带有水平钢筋的方形 CFDST 柱进行了偏心压缩测试，发现绑扎钢筋在改善偏心性能方面更为有效。Montuori 等人 [47]、[48] 比较了使用 FRP 加固的钢筋混凝土构件的各种本构定律的分析结果，强调了侧向约束的建模及其对混凝土强度和延展性增强的影响。

尽管这些措施可以改善钢管和填充混凝土之间的相互作用，抑制局部屈曲，并提高极限强度，但它们的实际应用往往受到复杂制造工艺、材料消耗增加以及大规模施工困难的限制。此外，CFDST 构件中的约束机制和内部约束的贡献尚未完全明确，因此开发高效的约束策略仍然是当前研究的重点。受前述研究的启发，本文扩展了 CFDST 概念，提出了一种新型的绑扎钢筋-高性能混凝土（HPC）复合塔系统。所提出的结构由内外钢管、填充混凝土和绑扎钢筋组成，这些部件协同作用以提高结构性能。在钢管的内表面两端安装螺母，以改善锚固和稳定性，从而增强了约束效果，如图 2 所示。本研究重点研究了带有绑扎钢筋的风力涡轮机塔柱的轴向压缩行为。共有五个 specimen 在轴向压缩下进行了测试，以研究绑扎钢筋的间距和数量对承载能力和刚度的影响。随后开发了一个有限元模型，并根据实验结果进行了验证，接着进行了全面的参数研究，以确定影响极限强度的关键因素。最后，评估了现有设计规范和分析模型在预测带绑扎钢筋的 CFDST 柱的极限压缩强度方面的准确性，为这种新型结构系统的实际应用提供了理论基础。

章节片段

试件的设计与制造

在本研究中，采用了直径为 5 米的大型风力涡轮机塔作为原型。为了保持代表性的曲率，试件的高度设置为 450 毫米。考虑到塔的大直径和相关的运输限制，复合塔被设计为分段制造和组装。为了在保持几何相似性的同时减少材料消耗，制作了一个代表完整圆形截面 1/36 的扇形试件，其中心...

测试现象和破坏模式

如图 6(a) 所示，HCFDST-1 试件主要通过钢管的局部屈曲和混凝土核心的压碎而失效。在峰值载荷下，局部屈曲从中间高度区域开始，伴随着与夹层混凝土的约束作用引起的显著周向膨胀。随着载荷的进一步增加，后期响应表现为屈曲波的逐渐传播，最终形成了明显的带状凸起模式。

建模描述

为了进一步探讨带绑扎钢筋的 HCFDST 柱的压缩行为，在 ABAQUS 中建立了一个有限元（FE）模型，如图 11 所示。内外钢管、核心混凝土和绑扎钢筋使用八节点简化积分实体元素（C3D8R）进行离散化。基于网格收敛性研究，钢管和混凝土采用了 20 毫米的均匀网格尺寸，而在穿孔周围的区域网格细化到 10 毫米...

参数分析

为了进一步阐明关键参数对带绑扎钢筋的 HCFDST 构件轴向压缩行为的影响，基于经过验证的有限元模型进行了全面的参数研究。在本研究中，选择 HCFDST-B1 试件作为参考配置，基本参数包括夹层混凝土厚度为 80 毫米、混凝土强度等级 C90、钢筋等级 Q355、绑扎钢筋的纵向间距为 100 毫米、绑扎钢筋直径为...

与现有计算方法的比较

先前的研究提出了多种预测 HCFDST 构件极限承载能力的方法。在本研究中，将实验测得的承载能力与现有的设计方法进行了系统比较，以评估它们的准确性和适用性。使用四种设计规范进行了预测：T/CCES 7-2020 [59]、Eurocode 4 [60]、GB 50936-2014 [61] 和 AISC 360-16 [62]，以及 Ho 和 Lai [63] 提出的分析模型，该模型明确考虑了...

结论

本研究对带绑扎钢筋的 HCFDST 构件的压缩行为进行了全面研究，结合了实验测试和数值分析。主要发现总结如下：

• 带有绑扎钢筋的试件没有出现大规模的整体变形。相反，局部向外变形被限制在相邻的绑扎钢筋行之间，并逐渐向试件两端传播。结果表明，添加绑扎钢筋有效地...

CRediT 作者贡献声明

陈胜刚：写作 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，可视化，研究，形式分析。曾林辉：写作 – 审稿与编辑，可视化。陈军：监督，资源调配，项目管理，研究，资金筹集，概念化。李俊实：写作 – 审稿与编辑，数据整理。杜文平：验证，方法论。杨彩倩：验证，监督，资源调配，资金筹集。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了中国 湖南省自然科学基金（项目编号：2024JJ9067 和 2024JJ6054）、国家自然科学基金（项目编号：52508155）以及 湖南省教育厅重点科研项目（项目编号：21A0073）的支持。

陈胜刚 | 曾林辉 | 陈军 | 李俊实 | 杜文平 | 杨彩倩

东南大学土木工程学院，南京 210096，中国