环向均匀脱空对方钢管混凝土柱轴压受力性能的影响——文献学习体会

一、文献概况与研究意义

本文发表于《实验力学》2025年第40卷第1期，由华侨大学土木工程学院户梦瑶等完成，依托国家自然科学基金项目（52278183, 51878303）资助。文章通过轴压试验研究了环向均匀脱空对方钢管混凝土柱（CFST）轴压性能的影响，以有无环向均匀脱空缺陷、钢管屈服强度和钢管厚度为影响参数，系统分析了脱空缺陷对CFST柱初始刚度、破坏形态、轴压承载力和内填混凝土应力-应变行为的影响。

钢管混凝土结构因其优异的承载能力、延性和抗震性能，在高层建筑、桥梁、海洋平台等领域得到广泛应用。然而，在实际施工过程中，由于钢管与混凝土之间的界面处理不当、混凝土浇筑振捣不充分等原因，钢管内壁与混凝土之间可能产生脱空（void）缺陷。这些脱空缺陷会削弱钢管对混凝土的约束作用，降低结构的承载能力和延性，对结构安全构成潜在威胁。

二、试验设计与参数设置

2.1 试件参数

文献设计了6组试件，包括3组有环向均匀脱空缺陷的试件和3组无脱空的试件。主要参数如下：

2.2 环向均匀脱空的模拟方法

环向均匀脱空是指钢管内壁与混凝土之间沿环向均匀分布的空隙。这种脱空形态在实际施工中较为常见，通常由于以下原因产生：

• 钢管内壁未进行充分的除锈和清理，导致混凝土与钢管之间的粘结力不足；
• 混凝土浇筑时振捣不充分，混凝土未能完全填充钢管内壁与钢管之间的间隙；
• 钢管内壁存在油污或其他污染物，阻碍了混凝土与钢管的粘结；
• 混凝土收缩过程中与钢管内壁脱离，形成脱空。

三、试验结果分析

3.1 对初始刚度和破坏形态的影响

文献结果表明，环向均匀脱空缺陷对方钢管混凝土短柱的初始刚度和破坏形态影响较小。这一结论出乎我的预料，需要深入分析其物理机制。

初始刚度主要取决于结构的截面几何特性和材料的弹性模量。环向均匀脱空虽然削弱了钢管与混凝土之间的粘结，但在轴压荷载的初期阶段，钢管和混凝土各自独立承担荷载，脱空对整体刚度影响有限。此外，由于脱空是环向均匀的，钢管的约束作用虽然有所削弱，但并未发生局部丧失，因此破坏形态与无脱空试件基本一致，均表现为典型的钢管混凝土柱破坏模式。

3.2 对轴压承载力的显著影响

与初始刚度不同，环向均匀脱空显著降低了CFST柱的轴压承载力。文献数据显示，当脱空率为0.2%时，内填混凝土的峰值应力降低约12%。这一降幅在工程实践中具有重要的安全意义。

从力学机理分析，钢管混凝土柱的承载力来源于钢管和混凝土的协同工作。钢管对核心混凝土提供环向约束，使混凝土处于三向受压状态，显著提高其抗压强度和延性。当钢管与混凝土之间产生脱空时，钢管的约束作用被削弱，混凝土的三向受压状态减弱，导致其峰值应力和承载力下降。

3.3 套箍系数的调控作用

文献发现，增大试件套箍系数对内填混凝土的峰值应力影响不大，但可有效延缓内填混凝土的应力退化速率，并减小环向均匀脱空缺陷对方钢管混凝土柱轴压承载力的负面影响。

套箍系数（confinement ratio）是衡量钢管对混凝土约束程度的重要参数，定义为钢管壁厚与钢管直径的比值。增大套箍系数意味着钢管壁厚增加或钢管直径减小，钢管对混凝土的约束能力增强。然而，文献结果显示套箍系数对峰值应力的影响有限，这是因为混凝土的峰值应力主要取决于混凝土本身的强度和约束压力，而约束压力与套箍系数成正比。当套箍系数增大时，虽然约束压力增大，但混凝土的峰值应力增长幅度有限，因为混凝土的三向受压强度增长存在饱和效应。

套箍系数对应力退化速率的影响更为显著。应力退化是指混凝土达到峰值应力后承载力随应变增加而下降的过程。增大套箍系数可以延缓这一过程，因为更厚的钢管在混凝土压碎后仍能提供有效的约束，防止混凝土碎块向外膨胀，从而维持更高的残余承载力。

四、脱空缺陷的工程控制措施

4.1 预防措施

4.2 检测与评估

• 采用超声波检测钢管与混凝土之间的粘结质量，识别脱空区域；
• 利用红外热成像技术检测脱空缺陷，脱空区域的热响应与密实区域存在差异；
• 在关键部位设置监测传感器，实时监测钢管与混凝土之间的相对位移。

4.3 设计规范建议

根据GB 50936《混凝土结构设计规范》和JGJ/T 175《钢管混凝土结构技术规程》，钢管混凝土结构的承载力和变形计算基于钢管与混凝土完全粘结的假设。当存在脱空缺陷时，实际承载力低于设计承载力。建议在规范中增加脱空缺陷的考虑，提出以下修正：

• 定义脱空率的允许限值，超过限值时需要进行承载力折减；
• 建立脱空率与承载力折减系数的关系式，为设计提供依据；
• 规定脱空缺陷的检测方法和验收标准，确保施工质量。

五、与工程实践的关联

在实际工程中，钢管混凝土柱的脱空缺陷是一个普遍存在的问题。由于钢管混凝土结构多为现场浇筑，施工质量控制难度大，脱空缺陷几乎不可避免。然而，由于脱空缺陷的隐蔽性，往往在结构投入使用后甚至发生破坏后才被发现。

文献的研究结果表明，即使脱空率仅为0.2%，也会导致承载力降低约12%。这一降幅在结构安全评估中不容忽视。对于高层建筑和重要基础设施，12%的承载力降低可能导致结构的安全储备不足，特别是在地震等极端荷载作用下，脱空缺陷可能成为结构破坏的薄弱环节。

六、学习心得

本文的研究揭示了钢管混凝土结构中一个看似微小但影响深远的问题——环向均匀脱空缺陷。0.2%的脱空率虽然在物理尺寸上微不足道，但对结构承载力的影响却相当显著。这一发现提醒我们，在钢管混凝土结构的设计、施工和检测中，必须高度重视界面粘结质量的控制。

从钢管制造与焊接的角度思考，钢管的几何精度和表面质量直接影响钢管与混凝土之间的粘结效果。钢管内壁的粗糙度、圆度偏差和焊接残余应力都会影响混凝土的浇筑质量和粘结性能。因此，钢管制造企业在生产钢管混凝土结构用钢管时，应特别关注内壁质量和几何精度，为后续的混凝土浇筑提供良好的基础条件。

未来，随着钢管混凝土结构理论的完善和施工技术的进步，脱空缺陷的控制将更加精细化。智能化施工技术和在线监测技术的发展，将为钢管混凝土结构的质量控制提供新的手段，确保结构的安全性和可靠性。