作者：*，HélderD.*，MarcoLopes,RuiA.Sim?es,LuísLaím,科英布拉中學，ISISE混凝土抗拉強度定義，土木安裝工程系，澳大利亞科英布拉

緒論：

本文進而通過試驗和估算研究，闡明一種新型復合柱的軸向特點。評價了新型CF-CFS柱的四種不同構型。具體記錄了檢測設置和結果，包括承重能力、載荷變型和破壞機制。研究了鋼構件(薄壁鋼管材)的屈曲行為。解讀了水泥支撐薄壁板局部屈曲的改善方式。之外，對試驗結果進行了數值模擬和校正。按照-1-1公式，將試驗結果與剖析預測結果進行對比，以評價現行規范的有效性。有效截面積也被適于屈曲工況預測，由于使用了4類剖面。結果闡明，依照EN1994-1-1的剖析預測(考慮鋼的總截面和屈曲曲線a)，圓形CF-CFS柱是保守的，圓形截面是不保守的。對于圓形CF-CFS柱，考慮鋼的有效截面面積和屈曲曲線c時，實驗結果與-1-1的設計預測吻合較差。還進行了靠譜性剖析，通過考慮CFS鋁材的有效截面積，得出了更靠譜的設計方式。

1.鐵管水泥組合柱具備較高的軸向承載力，在結構中得到了廣泛的應用。在過去的幾三年里進行了大量的試驗、分析和數值研究[1-10]。并且，不同的設計規范對這些柱的設計有全面的規定[11-15]。此前的研究主要集中在各類復合柱(CFST)[16-28]。等[29-31]通過試驗和數值研究了狹長方形和圓形內圓管水泥雙壁板管柱的軸向承載力。它們通過改變深度-長度比來覆蓋所有截面等級，并將其結果與EN1994-1-1[15]和ANSI/AISC[12]進行了比較。它們得出推論，ANSI/AISC[12]一般能很精確地預測復合柱的軸向能力。相比之下，-1-1[15]的設計預測對于纖細和特別粗壯的柱是保守的。對于慣量小于50的鐵管水泥柱，約束效應可以忽視不計。

Xiong等人[32,33]檢測了EN1994-1-[15]方式在計算由高硬度和超高硬度材料制成的長方形鐵管水泥軸向能力時的適用性，結果依照EN1994-1-[15]進行了保守預測。

等[34-36]對復合柱的軸向長細限進行了試驗和數值研究。它們的結果闡明，初始缺陷振幅的袋子截面更精確的設計預測。之外，它們還對美國標準AS5100(2004)[11]中箱式和方形水泥填充組合柱的有效長度/半徑公式進行了更改。Han等[6,37-40]選用試驗檢測和有限元方式對纖細鍍鋅鐵管水泥柱和不銹鋼鐵管柱進行了剖析。在屈曲變型和軸向能力之間進行了大量的比較。它們的研究結果闡明，鋁制復合柱比不銹鋼復合柱表現出更強的撓度行為和更大的后屈曲硬度。[41,42]將沖剪高硬度鍍鋅管柱的實驗結果與-1-1[15]的設計預測結果進行了比較。它們的結果闡明，按照EN1994-1-1[15]的設計預測結果不保守。Lam和[43,44]對方形和圓形鍍鋅水泥柱進行了試驗研究。它們將EN1994-1-1[15]和連續硬度法(CSM)[45]的試驗數據與預測的屈曲阻力進行了比較。它們的研究結果闡明，因為CSM對鋼的貢獻進行了更詳盡的評估，然而它更精確地恐怕了軸向能力。之外，等[5,46,47]建議使用有效抗拉硬度(水泥抗拉硬度的折減因子)來減少EN1994-1-1[15]設計預測的精確性。留意，它們推薦的有效抗拉硬度僅適用于抗拉硬度低于50MPa的水泥。

文獻中牽涉的研究主要是由均勻鋼構件構成的結構形狀有限的組合柱。因此，沖剪工字鋼建筑工字鋼被廣泛適于提升彩鋼框架(LSF)部委的結構元素。為了逐步擴大CFS解決方案的適用性，作者構建了一種創新的沖剪組合鋼(CF-CFS)水泥填充柱[48-52]。使用市售的CFS鋁材，CF-CFS組合柱可以裝配成不同的幾何形狀。這些解決方案逐步運用了鋼的機械功耗，并且推動了高硬度鋼的使用。鋼與水泥的組合可以減少結構壓縮單元的承載能力。因此，還可以減少結構的耐火功耗和結構安全性。

但是作者研究了CFCFS角柱[48]的抗屈曲功耗，但這些創新配置的狹長柱的結構行為一直欠缺。按照EN1994-1-1[15]，纖細復合柱設計是通過對復合柱截面的塑性阻力施加一個折減因子。該折減系數是依據囊括各類復合材料柱構象和細細的屈曲曲線估算的。因此混凝土抗拉強度定義，EN1994-1-1[15]，更適用于不銹鋼組合柱，沒有給出水泥填充CFS組合柱的屈曲曲線。因此，薄壁沖剪工字鋼(4類截面)的行為受局部屈曲現象控制，而EN1994-1-1[15]中的步驟是基于總橫截面積。作者之前的研究[48]闡明，可以用有效面積取代總面積來預測角柱的軸向承載力。但該辦法對不同柱細細度的適用性仍需逐步研究。本研究在同心軸向撓度下檢測了12個新型CF-CFS組合粗壯復合柱。假定EN1993-1-3[53]為鋼的總橫截面面積和有效橫截面面積，將實驗結果與EN1994-1-1[15]的設計預測進行對比。基于屈曲曲線a和c考慮了缺陷誘因。

2.試驗活動

2.1.CF-CFS組合截面的幾何形狀

本研究運用三種CFS剖面，包括C、U和-，生成CFS組合剖面。很多剖面的幾何結構如圖1所示。所有鋁材均選用+Z結構鋼成形，雙面熱浸不銹鋼。單獨的CFS鋁材使用9排自鉆緊固件連結，裝配成CFS截面。緊固件行寬度為362.5mm，端距為50mm(見圖2)。緊固件行寬度是通過初步有限元設計確定的。在最初的有限元設計會考慮了L/4(725mm)、L/8(362.5mm)和L/12(241.6mm)三個寬度。初步研究結果闡明，固定距離為L/8時試件的軸向承載能力低于L/4時的軸向承載能力。因此，在將緊固件之間的距離從L/8減少到L/12時，沒有發覺明顯差距。最終選擇362.5mm(L/8)為最佳寬度和較高的軸向容量。每位緊固件的半徑和寬度分別為6.3毫米和45毫米。請留意，大概3毫米的緊固件寬度適于連結CFS板，其余(42毫米)嵌入水泥填充，這或許有助于鋼和水泥鋼梁之間的復合作用。所有的組合木柱都用輕質水泥填充。

所研究的CF-CFS截面的構象形狀如圖2所示。完工區的具體狀況見表1。

2.2.材料特征

2.2.1.鋼

CFS的電學特征是依據ISO6892-1[54]進行拉伸實驗確定的。拉伸實驗的具體信息，包括設置、制造和讀取，都得到了充分的報導[48,55,56]。拉伸試樣的撓度-應變曲線如圖3所示。電學功耗如表2所示。

2.2.2.水泥

本研究的試件輔以輕質水泥填充。如表3所示，所選輕質水泥由輕級配LECA2-4、輕級配LECA3-8、沙子、水、水泥CEMI42.5R和高效消泡劑(粘水泥-V3000)混和而成。檢測了三個150mm×150mm×150mm的標準水泥多面體，以確定抗拉硬度(基于BSEN206-1:2013[57])。三次重復的多面體樣品的密度(D)分別為1848、1860和1860kg/m3。因而，平均密度值()為1856kg/m3。

得到三個試樣的水泥抗拉立方硬度(，)分別為26.5、31.2、32.8MPa，估算得到水泥抗拉立方硬度(，)的平均值為30MPa。因而，按照EN1992-1-1[58](表3.1)，水泥平均抗拉硬度()、彈性撓度()和水泥抗拉硬度設計值()分別為33MPa、31.476GPa和25MPa。實驗結果及電學功耗匯總如表4所示。