矩形双相不锈钢超高性能混凝土短柱轴压性能研究.pdfVIP

摘要

钢管混凝土（Concretefilledsteeltube，简称CFST）柱被广泛运用于国内外的高层

/超高层建筑、桥梁和海洋工程中，不同的工程运用场景也对钢管混凝土柱的承载力性

能和耐腐蚀性能提出更高的要求。柱构件的承载力性能提升可以通过增加构件尺寸和

采用高性能材料两种方式实现。但是构件尺寸的增加往往伴随材料消耗、施工难度和

空间占用的增加，因此在工程实际运用中采用高性能材料具有更广阔运用前景。采用

高强度的双相型不锈钢搭配UHPC形成双相型不锈钢管超高性能混凝土（UHPC-filled

duplexstainlesssteeltube，简称UFSST）柱，可以满足钢管混凝土构件在腐蚀服役环境

中对高性能和耐久性的需求。本文采用试验研究和数值模拟相结合的方法，对UFSST

短柱的轴压性能、工作机理和极限承载力进行了研究。主要工作和成果如下：

（1）对12根矩形短柱试件进行轴心受压试验，通过对试件破坏模式、荷载-位移

曲线和荷载-应变行为规律的研究，讨论了三种混凝土抗压强度等级和三种钢管壁厚对

矩形短柱试件轴压承载力性能影响，并对双相不锈钢管对核心混凝土的约束作用进行

了分析。研究表明，矩形UFSST短柱试件破坏模式主要分为两类：当约束系数1.93≤ξ

≤3.01时，UFSST短柱为腰鼓屈曲破坏，当约束系数1.17≤ξ≤1.62时，UFSST短柱为

剪切破坏。发生两类破坏的UFSST短柱均具有良好的变形能力，表现出明显的延性特

征，UHPC受压脆性破坏问题得到有效解决。UFSST短柱在轴压荷载作用下的工作过

程可分为弹性工作阶段、弹塑性工作阶段和塑性工作阶段。在弹性工作阶段，UHPC和

双相不锈钢管不产生相互作用，各自承担竖向荷载；在弹塑性工作阶段，UHPC发生脆

性破坏并开始横向变形，双相不锈钢管对UHPC产生约束作用，维持承载力继续增长；

在塑性阶段，随着UHPC损伤的累计和双相不锈钢管的局部屈曲，UFSST承载力开始

下降。得益于双相不锈钢的应变-硬化性为，双相不锈钢管依旧保持对UHPC的约束作

用，UFSST短柱的承载力随轴向变形的增长而缓慢退化，表现出良好的延性特征。

（2）利用有限元分析软件ABAQUS建立了适用于分析轴压荷载作用下矩形

UFSST短柱承载力性能的有限元模型，并探究了UHPC抗压强度、矩形截面长宽比、

矩形双相不锈钢管宽厚比和双相型不锈钢屈服强度等参数对矩形UFSST短柱轴压承载

力性能的影响。研究表明，由所建立的UFSST短柱有限元模型得到的荷载-位移曲线、

极限承载力和破坏模式均与试验结果吻合较好；UHPC抗压强度从100MPa提升至160

MPa，极限承载力提升了20%，但剩余强度比下降12%；截面长宽比从1.0增加到3.0，

主要对UFSST短柱的延性表现有削弱作用，剩余强度比最大下降幅度为16%；双相不

锈钢管宽厚比从18.2提升至56.7，极限承载力下降46%，剩余强度比仅下降2%；双相

不锈钢管屈服强度从450MPa提升至750MPa，UFSST的极限承载力和剩余强度比均

有提升，分别为23%和6%。

（3）整理已有文献资料中的试验结果和有限元模型分析结果，形成了UFSST试件

数据库。在此基础上，验证了国内外钢管混凝土柱设计规范和文献资料中的极限承载

力设计公式运用到UFSST设计中的可行性。最后，基于叠加原理，建立了更适用于矩

形UFSST试件的极限承载力设计公式，可为工程设计提供参考。

关键词：超高性能混凝土；不锈钢管混凝土；轴压试验；破坏模式；极限承载力

Abstract

Concretefilledsteeltube(CFST)columnsarewidelyusedinhigh-rise/superhigh-rise

buildings,bridgesandmarineengineeringinChinaandabroad,anddifferentengineering

scenariosalsoputforwardhigherrequ