内置CFRP圆管的方钢管再生混凝土偏压短柱力学性能研究学习体会

文献概况与技术背景

本文由沈阳建筑大学许伟、程嘉宝、佟舟、张海霞发表于《沈阳建筑大学学报（自然科学版）》2025年第41卷第1期，受国家自然科学基金项目（52278196）资助。研究针对再生混凝土（Recycled Concrete, RC）在结构应用中力学性能退化、延性不足的问题，提出了在方钢管再生混凝土短柱内部内置CFRP（碳纤维增强聚合物）圆管的复合增强方案，系统研究了外截面形式、受压类型和偏心率等参数对复合柱力学性能的影响。作为长期从事钢管制造与焊接的技术人员，我对钢管混凝土结构的协同工作机制、再生混凝土的材料特性以及纤维增强复合材料在结构加固中的应用有着深入的理解。

再生混凝土与钢管混凝土结构概述

再生混凝土是利用废弃混凝土经破碎、筛分后得到的再生骨料替代部分或全部天然骨料制成的混凝土。由于再生骨料表面附着旧砂浆、孔隙率较高、吸水率较大，再生混凝土的抗压强度、弹性模量和耐久性通常低于同强度等级的天然骨料混凝土。在钢管混凝土结构中，再生混凝土的力学性能退化会直接影响钢管与混凝土之间的协同工作效果，进而影响构件的承载力和延性。

钢管混凝土（Concrete-Filled Steel Tube, CFST）结构利用钢管对核心混凝土的约束效应，显著提高混凝土的抗压强度和延性。钢管不仅作为模板和施工支撑，还在受力阶段与混凝土共同承担荷载，形成"钢管-混凝土"协同受力的复合结构体系。当核心混凝土采用再生混凝土时，钢管的约束效应尤为重要，因为再生混凝土的侧向膨胀能力较弱，需要钢管提供更强的约束压力。

内置CFRP圆管的增强机理

CFRP（Carbon Fiber Reinforced Polymer）具有极高的抗拉强度（通常3000~5000MPa）和弹性模量（约230GPa），但抗压强度较低。在方钢管再生混凝土短柱内部内置CFRP圆管，其增强机理主要包括以下几个方面：

第一，CFRP圆管作为内约束环，对核心再生混凝土提供额外的径向约束压力，补偿再生混凝土因骨料性能退化导致的侧向膨胀能力不足。

第二，CFRP圆管与方钢管之间形成的环形空隙可以填充再生混凝土，形成"钢管-CFRP-再生混凝土"三层复合体系，增强钢管与混凝土之间的粘结和协同工作。

第三，CFRP圆管在偏压工况下可以承受部分弯矩引起的拉应力，减缓再生混凝土受拉区开裂和剥落，提高构件的延性和抗弯承载力。

第四，CFRP圆管的引入改变了方钢管截面的应力分布模式，使再生混凝土在偏压状态下的受压区更集中、受拉区更均匀，从而提高偏压承载力。

试验与有限元分析结果

研究利用ABAQUS有限元分析软件建立组合柱力学模型，在有限元模拟和轴压试验结果吻合的基础上，进一步研究试件的偏压力学性能。以下为关键参数的影响规律总结：

研究结果表明，内置CFRP圆管能够显著改善方钢管再生混凝土短柱的力学性能，但对偏压柱的影响小于轴压柱。这一发现符合力学原理——在轴压工况下，CFRP圆管的约束效应可以充分发挥，而在偏压工况下，弯矩引起的非均匀应力分布削弱了CFRP的约束效果。

同等截面面积下，方截面试件的偏压力学性能比圆截面试件更稳定。这是因为方截面在偏压方向上的截面模量分布更为均匀，再生混凝土的受压区和受拉区面积比更合理，从而在偏压工况下表现出更好的承载力保持率和延性。

与钢管制造及焊接工艺的结合

从钢管制造与焊接工艺的角度看，内置CFRP圆管的方钢管再生混凝土短柱的制造涉及以下几个关键技术环节：

第一，方钢管的成型与焊接。方钢管通常采用冷弯成型加直缝焊接（ERW或HFW）或四边焊接（SMAW或GMAW）工艺制造。方钢管的焊缝质量直接影响构件的承载力和延性。建议采用高频焊接（HFW）工艺，焊缝热影响区窄、组织性能优良，且焊接速度快、生产效率高。方钢管的壁厚公差应控制在±0.5mm以内，直线度和平面度偏差应满足GB/T 6725标准要求。

第二，CFRP圆管的安装与固定。CFRP圆管在方钢管内部的定位和固定是关键工序。建议采用专用定位夹具或临时支撑结构，确保CFRP圆管在方钢管内部居中放置，与方钢管内壁的间隙均匀。CFRP圆管与方钢管内壁之间的间隙应填充再生混凝土，填充过程中应采用真空振动或压力浇筑工艺，确保混凝土密实、无空洞。

第三，再生混凝土的配合比设计。再生混凝土的再生骨料替代率（通常30%~100%）直接影响其力学性能。建议采用部分再生骨料替代（50%~70%），并通过优化配合比（如增加胶凝材料用量、调整水胶比）来补偿再生骨料的性能退化。再生混凝土的坍落度应控制在150~200mm之间，以确保良好的泵送性和密实度。

第四，钢管端部的处理。方钢管端部需要设置端板或封头，以确保再生混凝土在浇筑过程中的密封性和构件端部的约束效果。端板与钢管之间的连接焊缝应达到一级焊缝质量要求，焊缝应采用全熔透焊接，焊后进行100%超声检测。

关键思考与工程建议

该研究为再生混凝土在钢管混凝土结构中的应用提供了新的增强思路。然而，从工程推广的角度看，仍有几个问题值得关注：

第一，CFRP圆管与再生混凝土之间的粘结性能。CFRP的弹性模量远高于再生混凝土，两者之间的粘结强度可能成为薄弱环节。建议进行专门的粘结强度试验，确定CFRP-再生混凝土界面的粘结本构关系，并在有限元模型中准确模拟。

第二，CFRP圆管在火灾工况下的性能退化。CFRP的树脂基体在高温下会软化甚至碳化，导致约束效果丧失。对于有防火要求的结构，需要采取防火保护措施（如防火涂层或耐火包裹层），或考虑采用耐高温纤维增强材料。

第三，长期耐久性。再生混凝土的耐久性（抗冻融、抗碳化、抗氯离子渗透）通常低于天然混凝土，而CFRP在碱性环境中可能发生碱-纤维反应。建议进行长期耐久性试验，评估复合柱在恶劣环境下的使用寿命。

第四，经济性分析。CFRP材料成本较高，内置CFRP圆管的方案是否在经济上可行，需要进行全生命周期成本分析（LCCA），综合考虑材料成本、施工成本、维护成本和结构寿命。

学习心得与启示

通过研读该文献，我深刻体会到材料创新与结构创新相结合的工程价值。再生混凝土的推广利用是循环经济和绿色建筑的重要方向，而CFRP增强技术为再生混凝土在结构承重构件中的应用提供了可行的增强手段。内置CFRP圆管的方案巧妙地利用了CFRP的高抗拉强度和再生混凝土的抗压特性，形成了互补性的复合增强体系。对于从事钢管制造和焊接的企业而言，这一研究方向意味着新的市场机遇——方钢管再生混凝土复合构件的制造需要更高精度的钢管成型技术和更严格的焊接质量控制，同时也为钢管制造行业向高附加值产品转型提供了技术支撑。