新型防脫空預制方鋼管混凝土柱軸壓性能試驗研究及有限元分析

DOI：10.3969/j.issn.10001565.2025.02.002

摘" 要：為解決方鋼管混凝土柱施工過程中出現的鋼管與混凝土界面脫空問題，提出一種后澆自密實灌漿料的預制方鋼管混凝土柱，通過軸壓試驗研究其力學性能和破壞模式，并提出其軸壓承載力計算公式，參數化分析預留縫隙厚度、后澆灌漿料強度等因素對該新型防脫空預制方鋼管混凝土柱軸壓性能的影響規律.結果表明：澆筑自密實灌漿料的預制方鋼管混凝土柱能夠有效避免界面脫空現象的出現，且極限承載力高于相同強度等級現澆鋼管混凝土柱，20 mm預留縫隙使用C40灌漿料后，其承載力約提升4%，峰值荷載對應位移更大，試件變形能力得到提高；提高后澆灌漿料強度等級可以有效提高其軸壓性能，選取C40灌漿料時相比選用C30灌漿料極限承載力可提高4.65%.

關鍵詞：防脫空預制方鋼管混凝土柱軸壓性能；界面脫空；有限元分析

中圖分類號：TU398.9""" 文獻標志碼：A""" 文章編號：10001565（2025）02012308

Experimental study and finite element analysis of axial compressive properties of new anti-void precast square concrete-filled steel tube columns

GUO Jiayi1， YAN Xiangyu1，2， ZHANG Haoze1， CHEN Zhihua1， BAI Chengjun1

（1. School of Civil Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. Institute of Ocean Energy and Intelligent Construction， Tianjin University of Technology， Tianjin 300384，China）

Abstract： In order to solve the interface defects problem of concrete-filled square steel tubular（CFSST） column， post-poured CFSST column is proposed in this paper. The axial compression tests on specimens were conducted to investigate the failure pattern and the bearing capacity，and the formula for calculating its axial compressive capacity is presented. The finite element analysis considering the parameters such as reserved gap thickness and different self-compacting concrete strength were carried out to study the axial compression performance to prevent interface cavitation defects. The results indicate that precast square steel-reinforced concrete columns cast with self-compacting concrete strength can effectively avoid the occurrence of interface voids. The ultimate bearing capacity is higher than that of current CFSST with the same strength grade. For example， using a 20mm reserved gap and C40 concrete， the bearing capacity is increased by approximately 4%， and the peak load corresponds to a larger displacement. The deformation capacity of the specimens is improved. Increasing the strength grade of the concrete can effectively enhance its axial compression performance. When choosing C40 concrete， the ultimate

收稿日期：20240606;修回日期：20241111

基金項目：

國家重點研發計劃項目（2019YFD1101005）

第一作者：郭家逸（2000—），男，天津大學在讀碩士研究生，主要從事組合結構方向研究.E-mail：guojy23@qq.com

通信作者：閆翔宇（1980—），男，天津大學高級工程師，博士，主要從事鋼結構、空間結構和組合結構等方向研究.

E-mail：yanxy@email.tjut.edu.cn

方鋼管混凝土柱作為組合受力構件，鋼管和混凝土協同受力使其具有承載力高、施工方便等優點，在實際工程中得到廣泛應用，但由于振搗不充分、塌落不暢等因素導致構件在施工過程中出現蜂窩、孔洞或界面脫空［1］等缺陷.此外，水泥在凝結硬化過程中發生化學收縮現象、混凝土比鋼管壁的溫度膨脹系數小等原因會造成脫粘現象.已有研究表明鋼和混凝土截面缺陷會對構件的承載力、延性等力學指標產生不利影響.

為了避免這種不利影響，很多學者開展了界面脫空缺陷防治的研究［2-8］.目前針對鋼管混凝土界面缺陷最有效且工程中最為常用的一種脫空補救做法是二次灌漿法.文獻［9-10］中對二次灌漿后的構件性能與脫空前試件進行了對比研究，發現構件二次灌漿后基本能恢復原來的力學性能.二次灌漿選取的材料一般為較高強度的水泥砂漿、改性環氧砂漿等一些流動性好的材料，能夠使鋼管與混凝土重新有效粘結，但由于材料自身特性還有可能再次發生脫空［11］，因此在二次灌漿后某些地方還要用超聲波儀器重新對其密實程度進行檢測.此外，混凝土的收縮徐變是產生界面缺陷的原因之一，胡曙光等［12］考慮在混凝土中添加膨脹劑補償混凝土的收縮徐變，結果表明，加入適量的膨脹劑可以較為明顯地提高鋼管混凝土構件的承載能力；韓林海等［13］提出采用高性能混凝土可以大大減小鋼管內混凝土的收縮變形，改善其力學性能；李悅等［14］提出在鋼管內布置栓釘可以加強鋼管對混凝土的約束效應，改善其承載力性能和延性.

綜上所述，當前針對界面脫空的防治進行了一系列的研究并取得了一些成果，主要集中在計算理論、材料改良、改進施工措施等傳統思路，有必要針對方鋼管混凝土柱的脫空缺陷防治措施開展新型構件的研究探索.因此本文提出一種新型防脫空預制方鋼管混凝土柱，其中間部分為預制混凝土柱，相比現澆混凝土柱具有性能穩定、施工便捷的優點，預制混凝土柱與鋼管之間的縫隙采用自密實灌漿料填充，自密實無收縮灌漿料操作簡單，流動性好，可以在重力作用下完全填充空隙區域，微膨脹性可以保證方鋼管與核心混凝土之間有效緊密粘結，以期充分發揮混凝土與鋼管組合受力的特點.本文通過構件軸壓試驗和有限元數值模擬開展新型防脫空預制方鋼管混凝土柱的軸壓性能研究，旨在為防治方鋼管混凝土構件脫空問題提出新的解決方法和思路.

1" 預制方鋼管混凝土柱軸壓試驗

1.1" 試件設計及制作

本文提出的新型防脫空預制方鋼管混凝土柱在天津建工科技有限公司進行制作，共設計加工4根方鋼管混凝土柱，其中2根為現澆鋼管混凝土柱，2根為新型防脫空預制方鋼管混凝土柱.新型防脫空預制方鋼管混凝土柱的制作過程：在現場將預制方形混凝土柱居中放入方鋼管內，在縫隙內澆筑高強自密實無收縮灌漿料，澆筑時利用微型電動高壓注漿機進行壓漿操作，遵循從下往上灌注的原則，利用頂升法原理以保證灌注的密實性，在灌注過程中隨時保持對方鋼管側壁進行敲擊檢查，制作過程如圖1所示.

試驗所用方鋼管截面為200 mm×200 mm，鋼管壁厚10 mm，鋼管高600 mm.試件1與試件2為預先支模澆筑140 mm×140 mm×600 mm的C30混凝土柱，放入方鋼管中用C40自密實無收縮灌漿料澆筑空隙區域，試件設計的脫空縫隙為20 mm，涵蓋了工程中的極端情況，本試驗旨在考察最不利情況下的試驗效果.試件3、4為現場用C40混凝土、C30灌漿料自密實無收縮灌漿料灌注填充在方鋼管內，試件主要參數見表1.

1.2" 材料性能

試件鋼管材質均為Q355鋼材，依據文獻［15］的規定進行材性試驗，從方鋼管側壁中央取樣，主要測量鋼材的屈服強度、極限強度，鋼材力學指標實測值如表2所示.

將C30商品混凝土及C40灌漿料制作試塊，置于試件所處相同環境下養護，依據文獻［16］抗壓強度試驗方法在300 t油泵式壓力機進行強度測試，力學性能指標見表3.

1.3" 試驗加載方案及測量方案

本次試驗中采用天津城建大學結構實驗室的2 000 t壓力試驗機，保證試件處于試驗機的正中心位置，進行預加載以測試試驗裝置是否安裝正確且能夠正常工作.

本次試驗采用荷載控制加載和位移控制加載的組合方式進行.試驗前期采用壓力控制的分級加載制，試驗后期則采用位移控制的加載制，開始加載時，以1 kN/s均勻加載，每級

為360 kN，每級加載持續2 min.鋼管屈服后以1 mm/min的速度進行位移加載，當曲線達到峰值開始下降且較為平緩后，為盡快達到破壞，加載速度調整為2 mm/min，當試件發生明顯變

形破壞時停止加載，得到試件全過程試驗數據.

各試件環向4面各布置1個位移計以監測各面位移情況，在試件外部架設1個位移計頂在上下壓力板表面，監測構件整體絕對位移，采用電阻應變片監測試驗過程中外部方鋼管的應力應變狀態.

1.4" 承載力計算

目前關于方鋼管混凝土柱的力學性能研究成果較為豐富，國內外已有多種規范規定了方鋼管混凝土柱的承載力計算方法.

由于本文提出的新型防脫空預制方鋼管混凝土柱是一種新型構件，尚未有具體的計算方法，參考極限平衡理論的疊加原理，提出下列承載力計算公式

Ny=Asfsy+Ac1fcy1+Ac2fcy2，（1）

其中：Ny為試件的屈服承載力；As為鋼管截面面積；fsy為鋼材屈服強度；Ac1、Ac2分別為預制混凝土柱和灌漿料的橫截面面積；fcy1、fcy2分別為預制混凝土柱和灌漿料的軸心抗壓強度標準值.

2" 試驗現象與分析

2.1" 試件破壞過程

試件開始加載后，荷載位移按比例增長，該過程屬于彈性階段，當荷載達到2 160 kN左右時鋼管首先屈服，構件進入彈塑性狀態，將壓力試驗機改為位移控制，持續加載至試件達到極限承載力.加載過程中可以看到試件1、2的極限承載力明顯大于試件4，略小于試件3.繼續加載至試件發生較大鼓曲變形，基本喪失承載力，達到破壞狀態.

試件1～4在軸壓試驗中均表現出較好的力學性能，破壞形態比較類似，試件均發生腰鼓型破壞，并且較大的塑性變形均發生在試件到達極限承載力之后，表現出較好的延性.試件破壞形態如圖2所示.

2.2" 荷載-位移曲線

綜合對比試件的荷載-位移曲線（圖3）可知：1）試件1～4在試驗過程均有較明顯的彈性階段、塑性階段和破壞階段；2）新型防脫空預制方鋼管混凝土柱的極限承載力大于C30現澆方鋼管混凝土柱，相差約4%，峰值荷載對應位移明顯更大，試件變形能力大幅提高；3）新型預制方鋼管混凝土柱的曲線下降段更平穩，展現出良好的延性.

表4給出了新型防脫空預制方鋼管混凝土柱的屈服承載力理論計算值（Nu）與試驗結果（Nue）對比，最大偏差為7.27%，平均誤差為6.91%，說明理論計算與試驗結果吻合較好，且保留一定安全儲備.

3" 新型防脫空預制方鋼管混凝土柱有限元模型建立及驗證

采用有限元軟件ABAQUS模擬方鋼管混凝土柱，選取S4R殼單元即4節點減縮積分單元模擬鋼管，選取C3D8R實體單元模擬混凝土，鋼管和內部核心混凝土采用表面-表面接觸，鋼管內表面定義為主面，混凝土外表面定義為從面，方鋼管與混凝土表面情況選擇小滑移計算方法.鋼管和混凝土界面法向接觸采用硬接觸模型來定義，鋼管和內部混凝土的切向接觸采用庫侖摩擦模型.限制頂部端板x、y、z 3個方向的位移以及y、z向的轉角；底部端板釋放z向的位移，限制x、y向的位移和y、z向的轉角.混凝土與后澆灌漿料之間設置為表面-表面接觸，文獻［17］對于混凝土表面摩擦系數μ的規定，本試件取μ=0.6.對于自密實灌漿料與預制混凝土柱之間的界面粘結剪切強度取值參考柴敏等［18］提出的計算公式

τb=0.75 α1α2α3（fcft）0.5，（2）

其中：τb為后澆灌漿料與預制混凝土界面粘結強度；α1為自密實混凝土

強度影響系數，當強度為C25、C30時，α1=0.42，當強度為C35、C40時，α1=0.4；

α2為粘結劑影響系數，α2=1；α3為刻槽密度影響系數，α3=1；

fc為預制混凝土抗壓強度值；ft為預制混凝土抗拉強度值.

鋼材本構模型的相關參數具體計算公式見文獻［19］，依據材性試驗數據建立的本構關系見圖4.

方鋼管約束下的核心混凝土處于三向應力狀態，經有限元計算發現，本文所采用方鋼管混凝土含鋼率較高，對于混凝土的強度有不可忽略的影響，故本文采用文獻［20］中所用的受壓本構對本次試驗進行模擬，對于核心混凝土受壓應力應變關系，最終選取基于Mander等［21］提出的鋼管約束混凝土本構的修正模型.混凝土采用基于塑性的損傷模型，依據材性試驗數據，本文采用GB 50010—2010混凝土結構設計規范中的素混凝土拉應力-應變本構模型定義混凝土的受拉軟化準則.本文采用的混凝土本構關系如圖5所示.

為了驗證預制方鋼管混凝土軸壓柱模型準確性，將有限元計算得到的破壞模式和荷載-位移曲線與試件1、2試驗結果進行對比，結果如圖6所示.從圖6可知模擬結果與試驗破壞形態基本吻合，均為局部鼓曲的破壞.

圖7為試件1、2的試驗結果與采用ABAQUS數值分析的新型防脫空預制方鋼管混凝土柱受壓荷載-位移曲線對比，有限元模擬結果與試驗結果具有類似的彈性階段、彈塑性階段、屈服階段和

破壞階段，曲線趨勢基本吻合，有限元模擬極限承載力為4 406.71 kN，與試件1和試件2的極限承載力試驗平均值4 304.12 kN相比，誤差為2.3%，破壞后期曲線有一定出入，可能為模型中混凝土壓碎后堆積壓實繼續受力，屬于誤差允許范圍內，因此認為本文建立的預制方鋼管混凝土柱軸壓模型模擬結果良好，基于該模型開展預制方鋼管混凝土柱極限承載力研究是可靠的.

4" 有限元分析

本文通過試驗研究了預留縫隙為20 mm的預制方鋼管混凝土柱的軸壓性能，并驗證了有限元模型的準確性，基于上述有限元模型開展界面不同預留縫隙厚度、不同后澆灌漿料強度等級對于構件極限承載力影響的研究.

4.1" 不同預留縫隙寬度對于極限承載力的影響

為研究新型防脫空預制方鋼管混凝土柱不同預留縫隙寬度對于構件極限承載力的影響，設計模型進行對比模擬分析，模型均采用C30混凝土和C40灌漿料，具體數據及極限承載力計算結果見表5.

綜合表5和圖8分析可得，新型防脫空預制方鋼管混凝土柱的荷載位移曲線與現澆方鋼管混凝土柱趨勢基本一致，說明其與現澆方鋼管混凝土柱具有類似的力學性能.同時可以明顯看到，構件的極限承載力隨著預留縫隙厚度的增大而增大，說明灌漿料與預制混凝土柱可以較好地共同受力，因此在實際工程中可以根據實際情況采用容易獲取的預制方鋼管混凝土柱，可以避免方鋼管混凝土柱內混凝土現場澆筑過程中振搗、排氣等不利因素可能導致的脫空.

模型的峰值承載力的隨縫隙寬度加大逐漸提高，是由于較高強度的灌漿料所占比例提高，抗壓強度更大，同時與預制混凝土柱相互粘結，協同受力效果更好.

4.2" 不同后澆灌漿料強度等級對于構件極限承載力的影響

建立2個不同灌漿料強度等級的有限元模型，并與C30現澆方鋼管混凝土柱模型進行對比.灌漿料強度等級分別選取C30、C40，預留縫隙寬度均為20 mm，荷載-位移曲線如圖9所示.

從圖9可知當選取C30灌漿料時，構件的極限承載能力與現澆混凝土試件相比略有提升，選取C40灌漿料時極限承載力提高4.65%.同時可以看到新型后澆自密實灌漿料方鋼管混凝土柱彈性階段的荷載-位移曲線斜率明顯更大，初始剛度提高，因為灌漿料對預制混凝土柱產生更強的約束作用，限制其初始變形的產生.

5" 結論

開展了新型防脫空預制方鋼管混凝土柱的軸壓試驗，探究了其軸壓狀態的受力過程、破壞模式及荷載-位移曲線，提出了軸壓承載力計算公式，基于試驗結果建立了其軸壓模型，驗證了其準確性，并對預留縫隙寬度及后灌漿料強度等級等參數的影響開展分析，得出了以下結論：

1）本文所提出的預制方鋼管混凝土柱與混凝土現場澆筑的方鋼管混凝土柱具有類似的軸壓性能，軸壓試驗過程中都有明顯的彈性階段、塑性階段和破壞階段，均發生局部鼓包的鼓曲破壞，極限承載力均高于現場澆筑的方鋼管混凝土柱.

2）通過對不同預留縫隙寬度和不同后澆灌漿料強度等級開展的有限元分析，可知不同縫隙寬度所制作的預制方鋼管混凝土柱均具有良好的軸壓性能，選用高于現澆混凝土強度的灌漿料進行縫隙的澆筑時效果更好，如選取C40灌漿料時試件極限承載力相比選用C30灌漿料提高4.65%.

3）本文通過試驗結合有限元模擬分析旨在探究預防、解決方鋼管混凝土柱在使用過程中可能出現的脫空問題，本文的研究成果可以為相關問題解決提供一定的借鑒參考，并可為鋼管混凝土界面缺陷防治提供了新方法和新思路.

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（責任編輯：王蘭英）