经压力灌浆修复的 CG-CFST 短柱轴向受压性能

《Engineering Structures》：Axial compressive behavior of CG-CFST stub columns rehabilitated with pressure grouting

　　

摘要

钢管混凝土柱（CFST）中钢材与混凝土界面的环向间隙（CG）是一种关键缺陷，会削弱组合作用并降低承载能力和延性。本文系统研究了压力注浆技术在修复钢管混凝土短柱中此类缺陷方面的有效性。共测试了二十个试件，包括完整柱、带有环向间隙的CFST柱（CG-CFST）及其经注浆修复后的对应试件，在两种混凝土强度等级下进行了轴压试验。结果表明，间隙缺陷使极限强度降低9%–37%，并因混凝土约束的延迟而产生脆性破坏。相反，注浆技术成功恢复了组合作用，使修复后试件恢复了完整强度的99%–106%，并与完整CFST试件相比展现出显著增强的延性。作为压力注浆技术在修复CFST柱环向间隙缺陷中的首次系统性应用，该方法有效消除了界面间隙的不利影响，将结构性能恢复至与完整构件相当的水平。本研究建立并验证了有限元分析（FEA）模型以模拟其行为，后续对内力机理的分析表明注浆层的主要作用是传递界面应力而非承担轴向荷载，为内部传力机理提供了深入见解。基于经验证的有限元模型开展的广泛参数化研究量化了混凝土和钢材强度、间隙率及注浆材料性能的影响。关键发现是，在所研究的实际范围内，注浆强度对修复后承载力的影响可忽略不计。基于上述发现，提出了一种实用且简化的设计公式，用于预测注浆修复CFST短柱的轴向压缩承载力，为工程师在实际应用中提供了可靠工具。

引言

钢管混凝土（CFST）结构因其卓越的力学性能——包括高承载能力、优异延性和良好的抗震性能——在现代建筑中得到了广泛应用[1,2]。CFST构件的卓越性能源于钢管与混凝土核心之间的协同组合作用，其中钢管对混凝土提供约束，增强其强度和延性，而混凝土核心则延迟钢管的局部屈曲[3,4]。然而，钢-混凝土界面的初始缺陷可能严重削弱这种组合作用。已有综述总结了圆形CFST短柱的抗压强度行为[5]，但界面缺陷对这种行为的具体影响仍缺乏充分研究。如图1所示，CFST中存在两种典型间隙类型，其中环向间隙尤为有害[6,7]。

钢管混凝土中的环向间隙（CG）是指界面处围绕整个周长的连续分离，可能由施工缺陷、混凝土收缩、徐变或使用过程中的温度变化引起[8,9,10]。此类界面脱粘缺陷的检测与表征已引起越来越多的研究关注，并发展了多种无损检测技术，包括超声相控阵[11]和其他基于波的检测方法[12]。此类间隙的存在导致钢管与混凝土核心之间的接触和应力传递丧失，造成约束延迟，从而降低构件的轴向承载能力和延性[13,14,15]。先前的实验和数值研究已表明，带有环向间隙的CFST柱呈现出独特的荷载-变形响应：混凝土在间隙闭合前过早压碎导致初期峰值后荷载突然下降，随后随着间隙闭合和约束激活而恢复[15,16,17,18]。强度降低幅度在10%至40%之间，取决于间隙率和混凝土强度，且破坏模式呈脆性，这对结构安全是不利的[19,20]。

鉴于间隙的有害影响，各种加固技术已被提出用于修复有缺陷的CFST构件。外部约束使用FRP缠绕或钢套管已被证明可以改善带有间隙的CFST柱的承载能力和延性[21,22,23]。然而，这些方法并不能恢复丧失的界面粘结；它们只是在间隙闭合后提供额外的约束。因此，加载初期仍然存在组合作用延迟的问题，钢管的全部潜力可能要等到较大变形发生时才能实现[23,24]。此外，外部加固会增加截面尺寸，在美观或空间上可能并不理想。

压力注浆是将高流动性材料在受控压力下注入间隙以填充空隙，提供了一种更为直接和有效的修复方法。通过在源头消除间隙，注浆旨在恢复界面连续性，使钢管和混凝土从加载最初阶段就能协同工作，从而克服了外部加固方法仅在间隙闭合后才提供额外约束的根本局限性。该技术已成功应用于其他领域，如修复混凝土结构中的裂缝或填充预应力管道中的空隙[25]。与传统修复方法相比，压力注浆具有若干独特优势。它直接消除界面间隙，从而消除了从钢管到混凝土核心的约束传递延迟。它特别适合修复小间隙率的情况，在这些情况下其他技术难以应用，并且可以有效避免二次间隙的产生。注压力度可以精确控制以确保间隙的完全填充，且该工艺适应于各种间隙几何形状和现场条件。此外，该技术不局限于特定注浆材料；它适用于任何具有足够流动性的材料，为各种修复场景提供了通用解决方案。然而，专门针对CFST环向间隙注浆修复的研究仍然有限。Dong等人[26]研究了全尺寸圆形CFST试件脱粘缺陷的超声检测和注浆处理，报道了注浆改善了超声波脉冲速度，表明填充有效。尽管如此，关于经注浆修复的带有环向间隙CFST构件力学行为的系统性实验和数值研究仍然稀缺。现有的大多数间隙修复研究集中于局部球冠间隙[27]，而非更为严重的环向类型。注浆层的力学作用、关键参数的影响以及实用设计方法的发展尚未得到充分解决。

为弥补这些知识空白，本文全面研究了采用压力注浆修复的带有环向间隙的圆形CFST短柱的轴向压缩行为。具体目标为：(1) 实验验证注浆技术在恢复有缺陷CFST柱承载能力和延性方面的可行性和有效性；(2) 建立稳健的有限元模型以模拟完整、有缺陷和修复后试件的非线性行为，并利用该模型阐明内部应力传递机理，特别是注浆层的作用；(3) 开展参数化研究，系统量化混凝土强度、钢材强度、间隙率和注浆强度对修复后性能的影响；(4) 提出简化的设计公式，根据有限元分析结果进行校准，用于预测注浆修复CFST短柱的轴向压缩承载力，从而为工程应用提供实用工具。

试验方案

共设计、制作并测试了二十个圆形CFST短柱试件，以研究完整柱、带有模拟环向间隙的柱以及经压力注浆修复的柱的轴向压缩行为。主要试验变量为核心混凝土的抗压强度和间隙率。

破坏模式与过程

如图5和图6所示，三组试件表现出截然不同的破坏模式，直接反映了界面粘结条件对CFST柱力学行为的影响。完整CFST试件显示出受约束良好混凝土柱的典型延性破坏模式[34,35]。局部屈曲表现为钢管向外鼓出，在极限承载力的70%–80%时开始出现在柱端附近。剥除钢管后，核心部分……

单元类型与网格

有限元分析采用ABAQUS程序进行。所有构件均采用8节点线性砖形单元（减缩积分）建模。采用结构化网格技术。对于钢管和混凝土核心，网格尺寸约为8–10 mm，基于网格敏感性分析确定。然而，对于薄注浆层（厚度为0.5 mm和1.5 mm），专门实施了细化的径向离散化以确保跨厚度方向的充分分辨率。具体而言，对于……

参数化研究设置

为建立一致的比较基准，定义了一个基准有限元模型，代表参数空间中的典型中值配置。基准模型具有以下特征：
- 混凝土抗压强度（fcu）：50 MPa
- 钢材屈服强度（fy）：460 MPa
- 环向间隙率（Xr）：1.82%
- 注浆抗压强度（fg）：50 MPa

为保持单变量控制并消除注浆强度与刚度之间的耦合效应，Eg固定为11.8 GPa。对于……

结论

本研究通过实验测试与有限元分析相结合的综合程序，研究了带有初始环向间隙缺陷的CFST短柱经压力注浆修复后的轴向压缩行为。在所考虑的参数范围内，可以得出以下主要结论：

(1) 注浆修复过程成功填充了环向间隙，恢复了钢管与混凝土核心之间的组合作用。

CRediT作者贡献声明
平进：撰写——初稿、方法论、研究调查
叶勇：撰写——审阅与编辑、监督、获取经费、构思
人泽林：研究调查、形式化分析、数据整理
江航：可视化、研究调查

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财务利益或个人关系。

致谢
本研究受国家自然科学基金（项目编号：52278182）资助。对此表示衷心感谢。

平进 | 叶勇 | 人泽林 | 江航
华侨大学 土木工程学院，厦门，361021，中国