二次受力下外套圆钢管混凝土加固十字型钢短柱轴压性能试验研究

一、引言

十字型钢短柱作为一种常见的结构构件，在建筑工程中广泛应用。然而，由于长期使用、腐蚀或外力作用，型钢短柱可能会出现损伤，导致其承载能力下降。为了恢复和提高受损型钢短柱的承载能力，外套圆钢管混凝土加固法作为一种有效的加固手段被提出。该方法通过在受损型钢短柱外部套上圆钢管，并在钢管与型钢之间浇筑混凝土，形成复合结构，从而提高短柱的承载能力和延性。然而，目前对于二次受力下外套圆钢管混凝土加固十字型钢短柱的轴压性能研究仍较为有限。因此，本文通过试验研究，系统地探讨了初始力、钢管壁厚、钢管强度、混凝土强度等因素对加固柱受力性能的影响，并提出了相应的承载力设计方法，以期为实际工程应用提供参考。

二、试验设计与实施

2.1 试验目的

本试验旨在验证外套圆钢管混凝土加固法对于改善型钢短柱受压性能的有效性，并探讨初始力、钢管壁厚、钢管强度、混凝土强度等因素对加固柱受力性能的影响，最终提出相应的承载力设计方法。

2.2 试验试件

本次试验共设计 16 个短柱试件进行轴心受压试验研究，包括 1 个型钢未加固短柱和 15 个钢管自密实混凝土加固短柱。试件的尺寸和材料参数如表 1 所示。

2.3 试验方法

采用轴压性能试验方法，试验在 5000KN 压力机上进行，试件两端均为平板铰。试验过程中采用分级加载，并采用位移控制，加载速率为0.3mm/min 在弹性范围内每级荷载为预估载的 1/10，进入弹塑性阶段后将加载级别降为预估荷载的 1/20 每级荷载持续 3min 。在接近破坏荷载时采用缓慢连续加载，并适当增加采样次数。临近 ΔNu 时，缓慢连续加载，直至荷载下降到 80%Nu 以下或试件变形过大时，停止试验。

2.4 测点布置

复合加固柱在中截面布置纵向及环向共 10 组 20 片应变片，型钢柱在中截面布置纵向及环向共 8 组 16 片应变片，以测量型钢和钢管的纵向和环形应变值。同时在柱的两侧均设置位移计用来测量柱的纵向位移。在柱的下端设置力传感器，以适时准确地测量施加荷载值。

2.5 加载步骤 ：

预加载 ：将试件置于加载平台中心，缓慢加载至预估极限荷载 20% ，检查试验机和测点工作情况，通过采集数据微调试件位置，使其处于轴心受压状态。

正式加载 ：采用分级加载和位移控制，弹性阶段每级荷载为预估荷载1/10，弹塑性阶段为 1/20，每级持续 3min，接近破坏荷载时缓慢连续加载并增加采样次数，临近极限荷载时持续加载至荷载下降到 80% 以下或试件变形过大停止试验。

三、试验结果与分析

（一）加固效果验证

对比未加固型钢短柱与加固短柱的轴压性能试验结果，发现加固后的短柱承载力和变形能力显著提高。从荷载 - 变形曲线可以看出，加固短柱在弹性阶段、屈服阶段及破坏阶段均表现出更优异的性能，验证了外套钢管混凝土加固法的有效性。

（二）初始力影响

研究初始力为 20% 、 40% 、 60% 时加固短柱的受力性能，发现初始力越大，短柱的初始刚度越大，但达到一定荷载后，初始力较大的短柱承载力增长速度相对较慢。这是因初始力增加了型钢与混凝土之间的初始接触应力，改变了二者协同工作的进程。

（三）夹层混凝土强度等级影响

随着夹层混凝土强度等级从 C60 提高至 C120，加固短柱的轴压承载力逐渐增大。高强混凝土能更好地与型钢和外套钢管协同工作，共同承担荷载，限制型钢的局部屈曲，从而提升整体承载能力。

（四）钢管壁厚影响

钢管壁厚增加（ 3mm 、 4mm 、 5mm ），在相同条件下，短柱的承载力和刚度均有所提高。较厚的钢管提供了更强的约束作用，增强了对混凝土的侧向约束力，使混凝土处于更好的三向受压状态，充分发挥材料强度，提高结构稳定性。

（五）钢管强度影响

当钢管强度从 Q235 提高到 Q690 时，加固短柱的受力性能得到改善。高强度钢管具有更高的屈服强度和承载能力，能更有效地抵抗荷载作用下的变形，与型钢和混凝土形成更稳固的复合结构，增强结构的整体性和可靠性。

四、承载力设计方法

基于试验数据和理论分析，提出外套圆钢管夹层混凝土加固锈损型钢短柱轴心受压承载力实用计算方法。综合考虑初始力、钢管壁厚、钢管强度、混凝土强度等因素的影响，建立承载力计算公式，通过回归分析和试验数据验证，确保计算方法的准确性和可靠性，为工程设计提供简便实用的设计依据。

五、结语

本文通过对二次受力下外套圆钢管混凝土加固十字型钢短柱的轴压性能试验研究，验证了该加固方法的有效性，系统分析了初始力、钢管壁厚、钢管强度、混凝土强度等因素对加固柱受力性能的影响规律，并提出了承载力设计方法。研究成果为相关工程实践提供了有益参考，有助于推动钢结构及组合结构加固技术的发展。然而，还需进一步深入研究不同工况、复杂环境下的性能表现及长期耐久性等，以完善该加固技术的理论体系和应用范围。

参考文献：

[1] 李娜，卢亦炎，李杉，梁鸿骏. 圆钢管自应力自密实混凝土短柱轴心受压性能研究[J]. 建筑结构学报，2019.

[2] 钱正昊 , 王卫永. 配置高强钢的圆钢管约束型钢混凝土短柱轴压性能研究 [J]. 钢结构 ( 中英文 ), 2025.

[3] 赵迪, 张纪刚, 时成龙, 等. 钢管约束混凝土组合结构研究现状[J].建筑结构, 2023.