外套钢管加固的钢管混凝土柱轴压力学性能研究

李孝忠  张素梅

(哈尔滨工业大学(深圳)土木与环境工程学院, 广东深圳  518055)

既有圆和方钢管混凝土柱性能不足时，采用外套钢管可简单高效地对其进行加固。利用 ABAQUS 分别建立外套钢管加固的圆和方钢管混凝土柱有限元模型并与试验进行验证，分析端部长度、夹层材料厚度和强度、钢管径厚比和屈服强度以及核心混凝土强度等因素对外套钢管加固的钢管混凝土柱轴压性能的影响。结果表明：直径不小于 300 mm 的钢管混凝土加固后，其端部长度不超过 60 mm 时无需采取端部加强措施较小的夹层材料厚度和较高的夹层材料强度有利于保证外套钢管加固效果；较小的外套钢管径厚比、较大的内层钢管径厚比和较低的核心混凝土强度均可以提升外套钢管的加固效果。基于叠加法，分别提出外套钢管加固的圆和方钢管混凝土柱轴压承载力计算方法，其预测结果与有限元及试验结果吻合良好。

钢管混凝土(CFST)具有截面形式多样、承载力高和抗震性能好等优点，在工程结构中广泛应用，其中圆钢管混凝土(CCFST)和方钢管混凝土(SCFST)为最常用的两种形式 ^[1] 。然而，钢管混凝土柱在服役期间可能因使用环境劣化或火灾和地震等偶然作用遭受损伤，同时建筑物在服役期间也存在使用功能变更的可能性，钢管混凝土柱的有效增强可以进一步延长建筑物的使用寿命。因此，寻找一种简单高效的钢管混凝土柱加固方法具有重要意义。目前，国内外学者主要采用在钢管混凝土外侧焊接加劲肋 ^[2] 或螺旋筋 ^{[3- 4]} 、外套钢管形成双钢管混凝土柱 ^[5-7] 和粘贴 FRP 布 ^[8-12] 等方法加强圆和方钢管混凝土柱，这些加固方法可在一定程度上提高钢管混凝土柱承载力和变形性能，但也存在施工复杂或抗火性能差等问题。

为此，作者提出采用外套钢管加固圆形钢管混凝土柱(T-CCFST) 和方形钢管混凝土柱(T-SCFST) ^[13-15] 的方法。由于外套钢管不进入梁柱节点区域，降低了施工难度，同时也使外套钢管基本不承担纵向荷载，增强其对钢管混凝土柱的约束作用；外套钢管和待加固钢管混凝土间填充的夹层材料可有效隔绝和吸收热量，有效改善内部钢管混凝土柱抗火性能。试验表明，圆和方钢管混凝土柱采用外套钢管加固后，轴压承载力均显著提高且延性明显改善 ^[13-15] 。然而，目前外套钢管加固钢管混凝土柱依然存在设计、计算和施工方法不成熟的问题，限制了其在实际工程中的进一步应用。

针对以上问题，本文给出了一种采用外套钢管加固圆和方钢管混凝土柱的施工方法。利用 ABAQUS  有限元软件研究端部长度、夹层材料厚度和强度、钢管几何尺寸和屈服强度、核心混凝土强度等因素对外套钢管加固的圆和方钢管混凝土柱轴压性能的影响，并提出了相应计算方法和设计建议。

利用外套钢管可方便高效地对既有圆形和方形钢管混凝土柱进行加固。圆钢管混凝土柱和方钢管混凝土柱的加固过程基本一致，以外套钢管加固圆钢管混凝土柱为例介绍其施工方法(图 1) 为：1) 清理待加固钢管混凝土柱外表面；2)在预设高度处固定下挡板，下挡板可采用两个半环板对接点焊连接，环板内部开孔尺寸略大于钢管混凝土外轮廓尺寸；3) 将切割成两个半圆形的外套钢管置于钢管混凝土外侧并进行对接焊接，必要时可对焊缝进行补强；4) 调整外套钢管位置，保证钢管混凝土柱和外套钢管截面同心后固定外套钢管；5) 在外套钢管和钢管混凝土间填充混凝土或灌浆料等夹层材料，浇筑时可轻敲外套钢管以提高夹层材料浇筑质量；6) 夹层材料终凝后，去除下挡板，钢管混凝土柱加固完成。

可以发现，采用外套钢管加固圆和方钢管混凝土具有施工简单、快速方便和现场干扰小等优点，具有良好的应用前景。

为明确采用外套钢管对既有钢管混凝土柱的加固效果，作者设计并完成了加固前后的圆钢管混凝土和方钢管混凝土短柱轴压试验 ^[13-15] 。图 2 和图 3 分别展示了外套钢管对圆和方钢管混凝土轴压性能的加固效果，图中 D ₁ 和 t ₁ 分别为圆(方) 钢管混凝土的直径(边长) 和壁厚； D ₂ 和 t ₂ 分别为外套钢管的直径和壁厚； L ₁ 和 L ₂ 分别代表钢管混凝土和外套钢管的高度； f _y1 和 f _y2 分别为内层钢管和外套钢管的屈服强度； f _c1 和 f _c2 分别为核心混凝土和夹层材料的棱柱体轴心抗压强度； N 为轴压荷载； ε _v 为试件纵向应变。

由图 2 可见：外套钢管可有效改善圆钢管混凝土柱的轴压性能；在钢管混凝土外部增设钢管加固后，试件承载力(承载力取试件峰值荷载，若达到峰值荷载时试件纵向应变超过 0.01 或荷载-纵向应变曲线无下降段时，取试件纵向应变达到 0.01 时对应的荷载值为试件承载力) 提高幅度可达 41.6% ~ 73.5%，荷载在达到试件承载力后也从逐渐下降变为缓慢上升；同时，由于外套钢管较强的约束作用，圆钢管混凝土柱中核心混凝土的破坏形式也由剪切脆性破坏(图 2b)转变为中截面压溃的延性破坏(图2c、图 2d)。

由图 3 可见：方钢管混凝土柱外套钢管加固后轴压性能也显著提升；钢管加固的方钢管混凝土柱承载力可提高 56.4%，承载力对应的峰值应变可提高 85.5%；同时，外套钢管加固区核心混凝土未发现明显破坏(图 3c、图 3d) ，避免了方钢管混凝土中核心混凝土剪切脆性破坏的发生(图 3b) 。

以上分析表明，圆和方钢管混凝土短柱外套钢管加固后，其轴压性能明显改善，承载力和延性均可显著提升。

采用 ABAQUS 有限元软件建立了钢管混凝土加固前后的有限元模型并进行轴压性能分析。

采用外套钢管加固的圆和方钢管混凝土柱有限元模型分别如图 4a 和图 4b 所示，其中钢管加固的方钢管混凝土柱考虑对称性建立 1/8 有限元模型以减少计算量。圆钢管和方钢管均选用四节点减缩积分壳单元(S4R) ，核心混凝土和夹层材料均选用八节点六面体减缩积分实体单元( C3D8R) 。利用结构化网格划分技术进行模型单元划分。经过网格试验，钢管加固的圆钢管混凝土柱模型轴向网格尺寸选取为试件高度的 1/24，径向网格尺寸为钢管直径的 1/16；而钢管加固的方钢管混凝土柱模型轴向网格尺寸为试件高度的 1/40，径向网格尺寸为方钢管边长的 1/20。钢管和核心混凝土及夹层材料接触面均采用面面接触，法向设置为硬接触，切向设置为库伦摩擦类型的罚函数，摩擦系数为 0.6，剪应力限值为 10 MPa。

钢材采用二次塑流模型 ^[16] 。夹层材料和加固前的钢管混凝土柱中核心混凝土均选用 Tao 等提出的钢管混凝土的核心混凝土本构关系 ^[17] ，而加固后钢管混凝土柱核心混凝土均无相应的应力-应变关系，需在 Tao 等提出的本构关系 ^[17] 基础上进行调整。钢管加固的方钢管混凝土中调整后的核心混凝土本构关系计算方法与文献[13,15] 一致；钢管加固的圆钢管混凝土考虑内层钢管和外层钢管的双重约束作用，采用式(1) 计算套箍系数 ξ ，并以此套箍系数代入到 Tao 等提出的圆钢管混凝土的核心混凝土本构关系 ^[17] 计算方法中，从而确定加固后的圆钢管混凝土中核心混凝土的应力-应变关系。

式中： A _s1 、 A _s2 和 A _c1 分别为内层钢管、外套钢管和核心混凝土的截面面积。

为验证本文有限元模型建立方法的可靠性，选取文献 [14] 中钢管加固的圆钢管混凝土柱试件 T-II-2. 5-1. 5-50 和文献[15]中钢管加固的方钢管混凝土柱试件 T-28 进行建模分析。有限元计算结果和试验结果对比如图 5a 及图 5b 所示。可见：有限元模型可以较好地预测采用外套钢管加固的圆和方钢管混凝土的轴压性能，有限元和试验的荷载-纵向应变曲线整体吻合良好，说明了本文的有限元模型建立方法及调整后材料本构的准确性。

利用验证过的有限元模型，分析外套钢管加固时端部长度、夹层材料厚度和强度等加固构造对外套钢管加固效果的影响。

除传递外套钢管对内部钢管混凝土约束作用外，夹层材料还承受经夹层材料和内层钢管界面摩擦力传递的部分轴力。为此分析夹层材料强度对采用外套钢管加固的钢管混凝土柱承载力的影响。

夹层材料强度对采用外套钢管加固的钢管混凝土柱轴压性能的影响如图 8 所示，其中 f c ₂ 为夹层材料轴心抗压强度。可见：较低的夹层材料强度无法充分发挥外套钢管对钢管混凝土柱的加固效果，但夹层材料超过一定强度后，进一步提高其强度对外套钢管加固效果的提升不明显。因此建议夹层材料强度不宜过小或过大。为增大分析结果的安全裕度，本文后续分析时夹层材料强度选取为 20 MPa。

基于上述分析结果，确定采用外套钢管加固钢管混凝土柱的构造为:端部长度为 0.2 D ₁ ，夹层材料厚度和轴心抗压强度分别为 50 mm 和 20 MPa。利用验证过的有限元模型，对影响外套钢管加固钢管混凝土柱轴压性能的关键参数进行分析。主要参数包括构件的材料强度以及内部钢管和外套钢管径厚比，其取值范围见表 1。既有圆钢管混凝土的直径和方钢管混凝土的边长均为 300 mm。

外套钢管加固的钢管混凝土承受轴压荷载作用时，外套钢管横向受拉屈服而纵向几乎不承担荷载，夹层材料由于其与内层钢管界面的摩擦作用承担部分纵向荷载 ^{[15 ]} 。基于叠加法，外套钢管加固的圆和方钢管混凝土柱的轴压承载力 N _u,cal 均可按式(2)计算：

1)采用外套钢管可以简单高效地加固既有圆钢管混凝土柱和方钢管混凝土柱，显著提高其轴压承载力并改善其变形性能。

2)基于修正的核心混凝土本构关系较好地预测了外套钢管加固后的圆和方钢管混凝土柱的轴压承载力和变形性能。

3)利用外套钢管加固钢管混凝土柱时，端部长度建议设置为 60 mm 以平衡加固后构件性能和施工便利性。在保证夹层材料浇筑质量前提下应尽量减小夹层厚度，同时夹层材料应具有一定强度。

4)外套钢管对钢管混凝土柱的加固效果主要与外套钢管径厚比和屈服强度有关，减小外套钢管径厚比和提高外套钢管屈服强度均可显著改善外套钢管加固效果。

5)基于试验研究和参数分析，采用叠加法提出了外套钢管加固的圆钢管混凝土柱和外套钢管加固的方钢管混凝土柱轴压承载力计算公式，公式预测结果与有限元及试验结果吻合良好，误差基本在 15%以内。