讲座回顾： 采用不锈钢外管的内填混凝土双壁柱的受压响应与设计方法

华南理工大学土木与交通学院海外学者前沿讲座第五十二期，我们邀请到来自英国诺丁汉大学的助理教授汪方莹博士。本次讲座中，汪老师为我们带来了一场使用绿色和可回收材料对组合结构进行可持续建造研究的精彩报告。

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首先，汪老师向我们介绍了她早期对不锈钢管混凝土短柱和梁的相关研究。相比于传统的钢筋混凝土和钢结构，钢管混凝土(CFST)结构具有更高的承载力和延性，可广泛应用于高层建筑的柱和大跨度桥等。钢管混凝土的优异性能主要来自于钢管和混凝土之间的复合作用，特别是由于外管的约束，提高了混凝土的强度和延性，混凝土又增强了外管的抗局部屈曲能力。然而，随着更大结构所需的截面尺寸的增加，构件的自重增大，而钢管混凝土截面中心部分的混凝土对构件的整体弯曲刚度的贡献越来越不显著。为了解决这个问题，采用空心钢管代替截面中部的混凝土，从而形成混凝土填充双壁管（CFDST）应运而生。此外，在CFDST的外钢管采用不锈钢材，可以显著提升CFDST的耐腐蚀性和耐久性。为了评估带有不锈钢外管的混凝土填充双壁管 (CFDST)的力学响应性能，汪老师进行了试验和数值模拟研究，致力于评估和修正CFDST的设计规范。

汪老师开展试验研究评估了带有不锈钢外管的混凝土填充双壁管 (CFDST)短柱的轴压力学性能。通过CFDST的典型轴力-应变曲线可以看出，CFDST表现出优越的延性，在到达极限承载力后，伴随着外钢管的向外屈曲、内钢管的向内屈曲和混凝土的压碎，其轴向承载力逐渐下降。但是，当钢管的劲厚比较大时，CFDST的轴力-应变曲线没有下降段。此时，为了评估CFDST的极限承载力，汪老师提出取0.01倍的初始刚度对应的荷载为无下降段CFDST的极限承载力。

此外，汪老师通过Abaqus有限元方法建立了CFDST短柱的有限元模型，该模型能够准确可靠地模拟CFDST的失效模式。在成功复制CFDST 短柱的极限承载力、荷载变形时程和失效模式后，汪博士团队开展了参数化研究来探索包括内外管的局部长细比、混凝土强度以及所采用的不锈钢等级在内的关键变量对CFDST 短柱极限响应的影响。通过数值模拟研究，汪老师发现随着混凝土强度的提升，CFDST的截面承载力增大，但延性降低。此外，外钢管的局部长细比对CFDST短柱的轴压性能具有非常显著的影响。通过比较具有相同内管和混凝土等级但不同长细比(do/to)外管的CFDST试件，评估外管局部长细比对极限响应的影响，发现外管长细比越小的CFDST试件具有更高的归一化极限强度与塑性强度比值(Nu/Npl)，这是由于局部屈曲敏感性降低了和对混凝土的约束作用提高了。

汪老师对比具有不同长细比外管的CFDST短柱中截面各部分轴力-应变曲线，也可以看出，CFDST的受压性能由外钢管的长细比控制。细长的不锈钢外管(LS600×5)容易在未达到其屈服承载力(Aoσ0.2,o)时发生屈曲，而长细比小的外管(LS600×20和LS600×30)能够达到甚至超过屈服承载力，展现出不锈钢明显的应变硬化特征。随着不锈钢外管长细比的增加，对混凝土的约束作用增强，处于内外管夹层的混凝土在强度和延性方面的性能也得到显著提升。同时，汪老师也评估了内钢管局部长细比对CFDST短柱轴压性能的影响，发现其影响不大。

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然后，针对欧洲设计规范，基于生成的有限元数据库和可用的测试结果，汪老师评估了现有的欧洲、澳大利亚和美国复合碳钢构件设计规定对所研究的CFDST 横截面设计的适用性。结果表明这些设计准则都偏保守（对于较高混凝土等级的情况较少）和相当分散的性能预测。为适当考虑仅向外的局部屈曲和填充混凝土的有效抗压强度，以反映较高混凝土等级相对有效性的降低，从而对与外钢管有效面积有关的设计方法进行修正。修正后的设计规则被证明可以提高设计承载力预测的准确性和一致性。

图5 汪老师对规范的修正

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随后，汪老师向我们介绍了她们课题组正在开展的两个研究课题，分别是内填可再生混凝土的钢管组合结构和钢管混凝土构件的节点连接。这两个课题的研究正在进行当中，我们期待汪老师最新的研究成果。

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最后，汪老师向我们详细介绍了诺丁汉大学的完善的试验设备，保证了她们团队研究使用绿色和再生混凝土材料建造组合结构课题的可行性和优势。并向我们介绍了她们课题组的成员和正在进行的研究课题，展示了她们在诺丁汉大学丰富精彩的科研生活。汪老师表示非常欢迎国内同学申请她们课题组的博士研究生、联合培养和访问学者项目。

更多详情请参阅：https://www.nottingham.ac.uk/Engineering/people/fangying.wang

讲座录播链接：

【The SIR Frontiers】学术前沿系列讲座第五十二期：“采用不锈钢外管的内填混凝土双壁柱的受压响应与设计方法”

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来源于多样化结构实验室VSL

撰写：解兵林 姚显花 毛炜宁

排版：李嘉晨

审核：胡  楠