不同钢材配置下双层外壳实心芯CFST柱的性能评估与规范适应性分析

更强的建筑柱，造就更安全的城市

现代城市依赖高层建筑、桥梁和塔架，这些结构不仅需要承受巨大的竖向荷载，还要能抵抗地震或冲击。工程师不断寻找既更强又更具延性的柱型——即在弯曲和变形时不会突然失稳倒塌的构造。本文研究了一种新型复合柱：由填充混凝土的钢管构成，呈双层“外壳”包裹实心混凝土芯。通过比较若干几何形状和配置，研究者展示了微小的几何变化如何带来强度、稳定性和韧性的显著提升。

这些新型复合柱的外观与构造

本研究所考察的柱属于混凝土填充钢管（CFST）家族：将空心钢管内灌实混凝土，使两种材料协同工作。团队关注的是一种较新的变体：双层外壳、实心芯柱。此类构造有外层钢管和内层钢管，内外以及内层钢管内部的所有空间均填充混凝土——没有空腔。钢管可为方形或圆形，采用不同组合（方–方、圆–圆或混合）会改变柱在受力时的行为。每个试验柱都较短粗，约41厘米高，这样的尺度能突出截面形状和材料布置如何控制力在柱内的传递。

试验是如何进行的

制备了八种不同的柱试件，采用普通混凝土和薄壁钢管。有些仅为钢管且无混凝土，有些为单层填充混凝土的管柱，还有些为新型的双层外壳实心芯布置，含内外两层钢管。浇筑并养护后，每个试件置于大型试验机中进行轴向挤压——沿长度方向压缩，直至达到承载力并发生显著变形。加载过程中，研究者测量了柱的轴缩量、初始刚度以及到达峰值强度后能承受的额外变形量；并详细记录了钢板屈曲和混凝土破碎的部位与形式。

为何圆形外管在强度竞赛中胜出

结果显示出明显规律：圆形柱普遍比方形柱更强、更具延性。圆形钢管能将应力沿周边均匀分布，有利于约束内部混凝土并延缓局部钢板屈曲。例如，空心圆管的承载力远高于空心方管，混凝土填充的圆管明显优于相应的方管。双层外壳柱中这种优势更为显著。即便使用更少的钢材、外管为圆形的配置仍能承载更高的荷载并表现出更平缓的变形。它们的破坏伴随相对均匀的径向膨胀和逐步的芯材压碎，而不是尖锐的折皱、“象脚”鼓包或突发的局部屈曲。

双层外壳与实心芯带来的增益

在单层外壳柱的基础上增加第二层内管和实心混凝土芯，能显著提升性能。表现最好的双层外壳试件比采用相似材料的单层试件强约56%。内管有助于约束混凝土并自内向支撑外管，而实心混凝土芯避免了薄弱区域，确保荷载在整个截面内平稳传递。在某些情况下，双层圆形配置的强度几乎是常用设计规范预测值的两倍，表明现行规范对这种先进构型较为保守。为更系统地研究这一点，作者用几何和材料数据训练了一个简单的人工神经网络来预测柱的强度，预测结果与试验值高度吻合，暗示在获得更多数据后可成为有用的设计工具。

对未来建筑的意义

对非专业读者来说，主要结论很直接：通过精心选择钢管与混凝土的形状与层次，工程师可以制造出比传统设计更强、更具容错性的柱。尤其是外管为圆形的双层外壳实心芯柱，将高强度、刚度与延性结合在一起，适用于高层建筑、地震区及需吸收冲击而不致灾难性失效的结构。尽管现行设计规范低估了它们的承载力，且仍需更多试验验证，但这项工作为未来更纤细、更安全、更高效的承重构件指明了方向。

引用: Neelamegam, P., Kanchidurai, S., Ganga, V. et al. Performance evaluation and codal assessment of double-skinned solid-core CFST columns with varying steel configurations. Sci Rep 16, 14477 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45278-7

关键词: 混凝土填充钢管, 双层外壳柱, 结构强度, 抗震设计, 建筑材料