華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院海外學(xué)者前沿講座第五十二期，我們邀請(qǐng)到來(lái)自英國(guó)諾丁漢大學(xué)的助理教授汪方瑩博士。本次講座中，汪老師為我們帶來(lái)了一場(chǎng)使用綠色和可回收材料對(duì)組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行可持續(xù)建造研究的精彩報(bào)告。

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首先，汪老師向我們介紹了她早期對(duì)不銹鋼管混凝土短柱和梁的相關(guān)研究。相比于傳統(tǒng)的鋼筋混凝土和鋼結(jié)構(gòu)，鋼管混凝土(CFST)結(jié)構(gòu)具有更高的承載力和延性，可廣泛應(yīng)用于高層建筑的柱和大跨度橋等。鋼管混凝土的優(yōu)異性能主要來(lái)自于鋼管和混凝土之間的復(fù)合作用，特別是由于外管的約束，提高了混凝土的強(qiáng)度和延性，混凝土又增強(qiáng)了外管的抗局部屈曲能力。然而，隨著更大結(jié)構(gòu)所需的截面尺寸的增加，構(gòu)件的自重增大，而鋼管混凝土截面中心部分的混凝土對(duì)構(gòu)件的整體彎曲剛度的貢獻(xiàn)越來(lái)越不顯著。為了解決這個(gè)問(wèn)題，采用空心鋼管代替截面中部的混凝土，從而形成混凝土填充雙壁管（CFDST）應(yīng)運(yùn)而生。此外，在CFDST的外鋼管采用不銹鋼材，可以顯著提升CFDST的耐腐蝕性和耐久性。為了評(píng)估帶有不銹鋼外管的混凝土填充雙壁管 (CFDST)的力學(xué)響應(yīng)性能，汪老師進(jìn)行了試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究，致力于評(píng)估和修正CFDST的設(shè)計(jì)規(guī)范。

汪老師開(kāi)展試驗(yàn)研究評(píng)估了帶有不銹鋼外管的混凝土填充雙壁管 (CFDST)短柱的軸壓力學(xué)性能。通過(guò)CFDST的典型軸力-應(yīng)變曲線可以看出，CFDST表現(xiàn)出優(yōu)越的延性，在到達(dá)極限承載力后，伴隨著外鋼管的向外屈曲、內(nèi)鋼管的向內(nèi)屈曲和混凝土的壓碎，其軸向承載力逐漸下降。但是，當(dāng)鋼管的勁厚比較大時(shí)，CFDST的軸力-應(yīng)變曲線沒(méi)有下降段。此時(shí)，為了評(píng)估CFDST的極限承載力，汪老師提出取0.01倍的初始剛度對(duì)應(yīng)的荷載為無(wú)下降段CFDST的極限承載力。

此外，汪老師通過(guò)Abaqus有限元方法建立了CFDST短柱的有限元模型，該模型能夠準(zhǔn)確可靠地模擬CFDST的失效模式。在成功復(fù)制CFDST 短柱的極限承載力、荷載變形時(shí)程和失效模式后，汪博士團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了參數(shù)化研究來(lái)探索包括內(nèi)外管的局部長(zhǎng)細(xì)比、混凝土強(qiáng)度以及所采用的不銹鋼等級(jí)在內(nèi)的關(guān)鍵變量對(duì)CFDST 短柱極限響應(yīng)的影響。通過(guò)數(shù)值模擬研究，汪老師發(fā)現(xiàn)隨著混凝土強(qiáng)度的提升，CFDST的截面承載力增大，但延性降低。此外，外鋼管的局部長(zhǎng)細(xì)比對(duì)CFDST短柱的軸壓性能具有非常顯著的影響。通過(guò)比較具有相同內(nèi)管和混凝土等級(jí)但不同長(zhǎng)細(xì)比(do/to)外管的CFDST試件，評(píng)估外管局部長(zhǎng)細(xì)比對(duì)極限響應(yīng)的影響，發(fā)現(xiàn)外管長(zhǎng)細(xì)比越小的CFDST試件具有更高的歸一化極限強(qiáng)度與塑性強(qiáng)度比值(Nu/Npl)，這是由于局部屈曲敏感性降低了和對(duì)混凝土的約束作用提高了。

汪老師對(duì)比具有不同長(zhǎng)細(xì)比外管的CFDST短柱中截面各部分軸力-應(yīng)變曲線，也可以看出，CFDST的受壓性能由外鋼管的長(zhǎng)細(xì)比控制。細(xì)長(zhǎng)的不銹鋼外管(LS600×5)容易在未達(dá)到其屈服承載力(Aoσ0.2,o)時(shí)發(fā)生屈曲，而長(zhǎng)細(xì)比小的外管(LS600×20和LS600×30)能夠達(dá)到甚至超過(guò)屈服承載力，展現(xiàn)出不銹鋼明顯的應(yīng)變硬化特征。隨著不銹鋼外管長(zhǎng)細(xì)比的增加，對(duì)混凝土的約束作用增強(qiáng)，處于內(nèi)外管夾層的混凝土在強(qiáng)度和延性方面的性能也得到顯著提升。同時(shí)，汪老師也評(píng)估了內(nèi)鋼管局部長(zhǎng)細(xì)比對(duì)CFDST短柱軸壓性能的影響，發(fā)現(xiàn)其影響不大。

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然后，針對(duì)歐洲設(shè)計(jì)規(guī)范，基于生成的有限元數(shù)據(jù)庫(kù)和可用的測(cè)試結(jié)果，汪老師評(píng)估了現(xiàn)有的歐洲、澳大利亞和美國(guó)復(fù)合碳鋼構(gòu)件設(shè)計(jì)規(guī)定對(duì)所研究的CFDST 橫截面設(shè)計(jì)的適用性。結(jié)果表明這些設(shè)計(jì)準(zhǔn)則都偏保守（對(duì)于較高混凝土等級(jí)的情況較少）和相當(dāng)分散的性能預(yù)測(cè)。為適當(dāng)考慮僅向外的局部屈曲和填充混凝土的有效抗壓強(qiáng)度，以反映較高混凝土等級(jí)相對(duì)有效性的降低，從而對(duì)與外鋼管有效面積有關(guān)的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行修正。修正后的設(shè)計(jì)規(guī)則被證明可以提高設(shè)計(jì)承載力預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性和一致性。

圖5 汪老師對(duì)規(guī)范的修正

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隨后，汪老師向我們介紹了她們課題組正在開(kāi)展的兩個(gè)研究課題，分別是內(nèi)填可再生混凝土的鋼管組合結(jié)構(gòu)和鋼管混凝土構(gòu)件的節(jié)點(diǎn)連接。這兩個(gè)課題的研究正在進(jìn)行當(dāng)中，我們期待汪老師最新的研究成果。

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最后，汪老師向我們?cè)敿?xì)介紹了諾丁漢大學(xué)的完善的試驗(yàn)設(shè)備，保證了她們團(tuán)隊(duì)研究使用綠色和再生混凝土材料建造組合結(jié)構(gòu)課題的可行性和優(yōu)勢(shì)。并向我們介紹了她們課題組的成員和正在進(jìn)行的研究課題，展示了她們?cè)谥Z丁漢大學(xué)豐富精彩的科研生活。汪老師表示非常歡迎國(guó)內(nèi)同學(xué)申請(qǐng)她們課題組的博士研究生、聯(lián)合培養(yǎng)和訪問(wèn)學(xué)者項(xiàng)目。

更多詳情請(qǐng)參閱：https://www.nottingham.ac.uk/Engineering/people/fangying.wang

講座錄播鏈接：

【The SIR Frontiers】學(xué)術(shù)前沿系列講座第五十二期：“采用不銹鋼外管的內(nèi)填混凝土雙壁柱的受壓響應(yīng)與設(shè)計(jì)方法”

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來(lái)源于多樣化結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室VSL

撰寫(xiě)：解兵林 姚顯花 毛煒寧

排版：李嘉晨

審核：胡??楠