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钢套加固混凝土柱力学性能研究：承载能力与延性提升机制

一、引言

1.1研究背景与工程意义

在现代建筑结构体系中，钢筋混凝土柱作为核心的竖向承重构件，肩负着支撑建筑物竖向荷载以及抵抗水平力的关键职责，其性能优劣直接关乎整个建筑结构的安全与稳定。然而，在建筑的全生命周期中，钢筋混凝土柱常常面临诸多挑战，如遭遇强烈地震时，地震波产生的巨大水平和竖向作用力会使柱体承受远超设计预期的应力；长期承受变化的荷载，可能导致材料疲劳、性能劣化；环境因素中的侵蚀介质，像酸雨、海洋大气中的盐分等，会逐渐腐蚀混凝土中的钢筋，削弱钢筋与混凝土之间的粘结力，进而降低柱体的承载能力。这些不利因素最终可能致使钢筋混凝土柱出现剪切破坏、约束失效等严重问题，威胁到整个建筑结构的安全。

为了有效提升既有建筑中钢筋混凝土柱的力学性能，满足日益增长的安全与使用要求，钢套加固技术应运而生。该技术通过在钢筋混凝土柱外部套设钢套管，并借助化学灌浆等工艺使钢套管与混凝土柱紧密结合，形成一个协同工作的组合构件。钢套加固技术具有显著优势，外部钢套管能够对内部混凝土形成有效的侧向约束，限制混凝土在受力过程中的横向变形，充分发挥混凝土的抗压强度，从而大幅提升柱体的承载力；这种约束作用还能改善柱体的变形性能，增强其延性，使其在承受较大变形时仍能保持一定的承载能力，有效提升结构的抗震性能；钢套还能为内部钢筋和混凝土提供防护，阻挡外界侵蚀介质的侵入，提高结构的耐久性，延长建筑的使用寿命。基于这些优势，钢套加固技术在既有建筑加固、改造工程中得到了广泛应用，成为保障建筑结构安全、实现可持续发展的重要手段。

1.2研究目标与关键问题

本研究旨在深入剖析钢套加固混凝土柱在不同受力条件下的力学响应机制，全面揭示轴压比、偏心率等关键参数对其承载力、延性等力学性能指标的影响规律。通过系统的试验研究与数值模拟分析，建立一套科学、实用的钢套加固混凝土柱设计计算方法，为工程实践提供可靠的理论依据与技术支持。

研究中需重点关注以下关键问题：一是轴压比的变化如何影响钢套与混凝土之间的协同工作性能，进而改变构件的承载能力和破坏模式；二是偏心率的大小怎样作用于构件的弯矩分布和变形形态，对其抗弯性能和稳定性产生何种影响；三是如何在考虑多种因素耦合作用的基础上，建立精准且实用的设计计算模型，确保设计结果既能满足结构的安全性要求，又具备良好的经济性与可行性。只有深入研究并解决这些关键问题，才能充分发挥钢套加固技术的优势，推动其在建筑工程领域的更广泛应用与发展。

二、试验研究与数值模拟方法

2.1试验设计与试件参数

本研究精心设计并制作了36根圆形钢套管加固钢筋混凝土短柱，同时设置了相应的普通钢筋混凝土柱作为对比试件。这些试件涵盖了轴压比、剪跨比、二次受力状态以及加固模式等多个关键参数，旨在全面、系统地探究不同条件下钢套加固混凝土柱的力学性能。

在轴压比方面，选取了0.2、0.3、0.4、0.5、0.6这5个不同的水平，轴压比作为衡量柱子受压程度的重要指标，其变化对柱子的承载能力和破坏模式有着显著影响。较低的轴压比意味着柱子在受压时相对较为“轻松”，而较高的轴压比则使柱子承受更大的压力，更易发生破坏。通过设置不同的轴压比，能够深入了解柱子在不同受压程度下的力学响应。

剪跨比则分别设置为1.5、2.0、2.5、3.0，剪跨比反映了柱子所受弯矩与剪力的相对大小关系，对柱子的破坏形态起着决定性作用。较小的剪跨比下，柱子可能发生剪切破坏，呈现出脆性特征；而较大的剪跨比时，柱子更倾向于发生弯曲破坏，具有一定的延性。通过改变剪跨比，可以研究不同破坏形态下钢套加固的效果。

考虑到实际工程中柱子可能存在的二次受力情况，部分试件设置了二次受力状态，以模拟柱子在已有荷载作用下进行加固后的力学性能变化。二次受力会使柱子内部的应力分布更为复杂，研究其对加固效果的影响，对于工程实践具有重要的指导意义。

加固模式分为全包和分段两种，全包加固是指钢套管完全包裹混凝土柱，能够提供全方位的约束；分段加固则是在柱子的特定部位进行钢套加固，这种方式可以在一定程度上节省材料，同时探究不同加固范围对柱子性能的影响。

在试件制作过程中，严格控制混凝土的配合比、钢筋的布置以及钢套管的加工精度。混凝土采用特定强度等级的商品混凝土，确保其强度和工作性能符合要求；钢筋按照设计要求进行绑扎和焊接，保证其在混凝土中的锚固和协同工作能力；钢套管采用优质钢材，通过精确的加工工艺，确保其尺寸准确、管壁厚度均匀，为试验的准确性和可靠性奠定坚实基础。

加载方案采用单调水平荷载与偏心受压试验相结合的方式。在单调水平荷载试验中，通过液压千斤顶在试件顶部施加水平荷载，同时在试件底部设置固定支座，模拟实际工程中柱子受到的水平力作用。在加载过程中，使用位移计实时监测试件的水