冷弯双西格玛复合柱中混凝土充填与部分包裹轴向受力行为

为日常建筑打造更强的柱体

随着城市不断拔高和施工节奏加快，工程师们在寻找既坚固可靠又能更快施工并且对气候友好的柱体解决方案。本研究考察了一种将薄钢壳与含火山岩纤维的流动性混凝土相结合的新型柱体制造方法。研究人员提出了一个简单但影响深远的问题：哪种柱体布置能在强度、韧性与较低碳足迹之间取得最佳平衡？

薄钢壳如何成为坚固的柱子

现代建筑常用冷弯薄钢，通过折弯薄板形成具有刚性的型材。这些轻质构件便于运输，适合模块化建造，但单独使用时在强压下往往会像易拉罐那样发生屈曲。为了解决这一问题，团队采用两种方式将两片西格玛形钢截面配对：面向面的封闭组合形成钢箱，和背对背的开口组合形成可用混凝土包封的空腔。每种构型又做了三种试验版本：仅钢材、用普通自密实混凝土充填或包裹，以及用掺入短玄武岩纤维的改良混凝土充填或包裹。

一种新型流动且富含纤维的混凝土

这里使用的混凝土设计为在自身重力下即可流动与铺展，能绕开狭窄转角和密集配筋而无需振捣。研究者通过用粉煤灰和硅灰部分替代水泥——这些工业副产物有助于更致密地堆积材料——并掺入由火山岩制成的短玄武岩纤维来改良配合比。在显微镜下，这些纤维穿过硬化的混凝土，桥联微裂缝并与周围基体咬合。这种组合形成了更致密的内在结构，能够更好地抵抗开裂并在破坏时表现出更渐进的变形而非脆性断裂。

在试验室中将柱子推到破坏

为观察不同柱体的性能，团队对每个试件施加中心轴向荷载直至破坏，同时精细记录沿高度的短缩与横向弯曲。裸钢试件早期发生屈曲，薄壁出现折叠或扭转。加入普通自密实混凝土后，承载力增加了超过一倍，因为混凝土芯体帮助支撑钢壳形状，而钢壳对混凝土起到了约束作用。最为突出的表现是完全充填且掺玄武岩纤维的封闭型柱体，其承载力几乎是空心钢柱的三倍，比普通混凝土充填的版本高出约三分之一。它的短缩更小，屈服后能承受更大的变形，展现出更高的延性——这是在地震或极端事件中重要的安全裕度。

数值模拟、设计准则与碳足迹

研究者用详尽的计算机模型再现了压碎试验，证实他们的数字孪生与实际发生的破坏与强度非常吻合。随后，他们将实测结果与印度和国际建筑设计规范的预测进行了比较，并对原本为较重的热轧钢与普通混凝土编写的公式进行了调整。更新后的方法能够可靠地预测新型柱体的强度，并略有保守。同时，一项从摇篮到坟墓的碳排放评估汇总了钢材与混凝土的生产、材料运输、施工、维护及寿终回收的排放。尽管加入混凝土会使总排放高于裸钢，但承载力的大幅提升意味着每单位碳换来的结构性能更多——在玄武岩纤维增强且完全充填的柱体中这一点尤为明显。

在未来建筑中权衡安全与可持续性

从日常应用的角度看，这项工作表明经过精心成型的薄钢壳与智能的富纤维混凝土结合，能够形成比传统方案更轻、更强并在失效时更宽容的柱体，同时在单位承载能力上使用更少的碳。尤其是封闭式、充填玄武岩纤维混凝土的柱体，提供了高强度、更好的开裂与屈曲控制以及改进的生命周期效率。这种安全性、耐久性与降低环境影响的组合，使其成为下一代模块化、中高层建筑在承受重载与应对气候变化时的有前景候选方案。

引用: Sharon, R.P.O., Senthilpandian, M. Axial load behaviour of concrete infilled and partially encased cold formed double sigma composite columns. Sci Rep 16, 11497 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39171-6

关键词: 复合柱, 冷弯薄钢, 玄武岩纤维混凝土, 自密实混凝土, 体现碳足迹