Eccentric behaviour of square CFST columns strengthened using square steel tube and high-performance concrete jackets
1 导读
钢管混凝土结构由于具有承载力较高、变形性能较好、免支模板等优点在大跨结构、高层及超高层建筑中得到了广泛应用。在服役期间，钢管混凝土结构可能面临火灾、地震、爆炸、碰撞、腐蚀等因素的影响，有必要对其进行修复加固。目前常见的钢管混凝土柱加固方法主要包括外包纤维复材（FRP）加固法、外包钢加固法和外套钢管夹层混凝土加固法。外套钢管夹层混凝土加固法因为其加固效果好、施工简便、抗火性能好，具有良好的应用前景。
论文对外套方钢管高性能夹层混凝土加固方形CFST短柱进行了偏压试验。研究了偏心率、夹层混凝土强度、外钢管宽厚比、夹层混凝土类型等影响下的破坏形态和力学性能。分别提出了内层混凝土、考虑自应力和钢纤维影响的高性能夹层混凝土、内方钢管和外方钢管的本构模型。最后对比了三种国内外规范的偏压承载力计算结果。
2 内容简介
图1为外套方钢管高性能夹层混凝土加固方形CFST柱截面示意图。论文分别选择了自密实混凝土、钢纤维混凝土、自应力混凝土和钢纤维自应力混凝土等高性能混凝土填入夹层。图2(a)~(c)给出了CFST柱的破坏形态图，图2(d)~(g)给出了加固柱的破坏形态图。可以看出偏压柱的主要破坏模式为整体弯曲，并伴随着受压侧的局部鼓曲。剖开加固柱的外钢管后，可以看出掺有钢纤维的夹层混凝土破坏区域更小，整体性更好。内层混凝土受拉侧没有横向裂缝，破坏程度明显低于夹层混凝土。
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图1 外套方钢管高性能夹层混凝土加固方形CFST柱截面示意图 |
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(a) CFST-e12 |
(b) CFST-e24 |
(c) CFST-e36 |
   
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(d) G1-A-t4.4-e24 |
(e) G2-A-t4.4-e24 |
   
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(f) G3-A-β0.9-t4.4-e24 |
(g) G4-A-β1.2-t4.4-e24 |
图2破坏形态图 |
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图3显示了加固柱与被加固CFST柱的荷载-水平位移曲线，可以看出加固后的承载力和刚度大幅度提升。初始加载阶段，荷载随着位移线性增加。当增加至峰值的85%左右时，水平位移快速增大。达到最大承载力后，加固柱的承载力显著下降，而CFST柱下降平缓。图3（b）比较了含不同夹层混凝土加固柱的荷载-水平位移曲线，结果显示钢纤维和自应力的结合使加固柱（G4- A-β1.2-t4.4-e24）的力学性能优于两者材料的单一作用。
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(a) 加固前后对比 |
(b) 含不同夹层混凝土的加固柱对比 |
图3 荷载-水平位移曲线 |
图4以试件G1-A-t4.4-e24作为基准，比较采用不同加固方案，如高强夹层混凝土（G1-B-t4.4-e24 和 G1-C-t4.4-e24）、厚壁外钢管（G1-A-t5.5-e24）和高性能夹层混凝土（G4-A-β0.9-t4.4-e24）的加固效果。承载力方面，采用C70高强混凝土的试件G1-C-t4.4-e24最高，G4-A-β0.9-t4.4-e24次之，G1-A-t5.5-e24最低；延性方面，试件G1-A-t5.5-e24最高，G4-A-β0.9-t4.4-e24次之，G1-C-t4.4-e24最低。综合而言，G4-A-β0.9-t4.4-e24的承载力和延性均较好，显示了钢纤维自应力混凝土在加固柱中的优越性能。
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(a) 承载力 |
(b) 延性 |
图4 不同加固方案对比图 |
图5显示了不同高性能混凝土的本构模型，相比于自密实混凝土（G1），可以看出自应力使峰值应力略微增大（G2），钢纤维的存在（G3）使峰值应变增大而下降段变缓，对峰值应力影响较小，自应力和钢纤维的结合作用（G4）使峰值应力显著增大而下降段较为平缓。
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图5 不同高性能混凝土本构模型 |
在确定本构模型的基础上，论文建立了有限元模型。模拟的破坏形态与实际破坏形态的对比情况如图6所示。图7显示了试验曲线与模型曲线的对比结果，可以看出有限元模型吻合良好。图7还给出了加载过程中各组成部分的荷载承担情况。结果显示峰值荷载时外钢管承担荷载最高，其次是夹层混凝土，这与圆截面加固柱的研究结果相反。
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(a) G1-A-t4.4-e24 |
(b) G2-A-t4.4-e24 |
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(c) G3-A-β0.9-t4.4-e24 |
(d) G4-A-β0.9-t4.4-e24 |
图6 破坏形态对比图 |
图7有限元及试验荷载-水平位移曲线对比图 |
论文将针对传统CFST结构的设计规范应用于加固柱中，图8给出了通过三种国内外规范（欧洲规范EC4、美国规范AISC和中国规范GB50936）计算得到的N-M曲线，并与试验结果进行比较。结果显示EC4规范与试验结果最为接近。
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(a) G1-A-t4.4 |
(b) G2-A-t4.4 |
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(c) G3-A-β0.9-t4.4 |
(d) G4-A-β0.9-t4.4 |
图8不同规范N-M曲线与试验结果对比图 |
3 小结
论文对外套方钢管高性能夹层混凝土加固方CFST短柱进行了偏压试验和有限元分析。研究参数包括偏心率、夹层混凝土强度、外钢管宽厚比、夹层混凝土类型等。钢纤维的桥接作用降低了混凝土的压碎程度。不同高性能混凝土中，钢纤维自应力混凝土（SFSSC）综合表现最好，且最佳纤维掺量为0.9%。SFSSC应用于夹层混凝土时，能有效提高加固柱的偏压性能。在有限元模拟中预测了四种高性能混凝土的本构模型，模拟结果与试验结果吻合较好。用于传统CFST结构的设计规范同样适用于加固柱，其中，EC4的计算结果最为接近试验值。
