中空夹层铝管-混凝土-钢管组合构件受弯性能研究

文献概况与核心观点

该文献由海南大学与华侨大学合作完成，发表于2025年《混凝土》期刊。研究通过四点弯曲试验，系统分析了中空夹层铝管-混凝土-钢管（ACSDST）组合构件的受弯力学性能。核心结论包括：构件因受拉侧铝合金外管开裂而破坏；EC4（2004）规范和AIJ（1997）规范分别适用于预测初始抗弯刚度和正常使用阶段刚度；中空夹层钢管混凝土（CFDST）的受弯承载力计算式可较好地预测ACSDST的承载力。该研究为采用铝合金外管的新型组合构件设计提供了理论依据。

技术要点解读

ACSDST构件的结构特点

ACSDST构件由三层组成：外层为铝合金管，中间为混凝土，内层为钢管。这种组合形式兼具铝合金的轻质耐腐蚀性与钢的高强度、混凝土的受压性能。与传统CFDST（外层钢管、内层钢管）相比，铝合金外管可减轻自重、提高耐久性，适用于海洋环境或对重量敏感的桥梁结构。

破坏模式与机理

试验中，构件破坏始于受拉侧铝合金外管开裂。铝合金属于弹塑性材料，其断裂延伸率较低（通常为10%~15%），在受拉区达到极限应变后即发生脆性断裂。破坏后，受压区铝合金外管出现向外鼓曲，这是混凝土压碎后铝合金管失去支撑的结果。与钢管混凝土构件不同，铝合金外管在受拉区开裂后，构件承载力急剧下降，延性较差。

抗弯刚度预测方法的评价

EC4方法之所以在初始阶段预测准确，是因为其基于未开裂截面的弹性理论，与铝合金外管开裂前的状态吻合。而AIJ方法则通过引入有效刚度系数，考虑了混凝土开裂后截面刚度下降的现象，更适用于正常使用极限状态下的挠度验算。

承载力计算方法的可行性

文献采用CFDST受弯承载力计算式来预测ACSDST的承载力，其核心是：

• 将铝合金外管视为等效钢管，按截面屈服理论计算。
• 考虑混凝土受压贡献，采用矩形应力块模型。
• 忽略铝合金与混凝土之间的滑移。

试验验证表明，该方法预测结果与实测值偏差在10%以内，说明铝合金外管可以等效为钢管进行承载力计算。但需注意，铝合金的屈服强度较低（通常为200~300 MPa），且应变硬化阶段较短，因此在实际设计中应取铝合金的0.2%残余应变对应的应力作为屈服强度。

工程实践启示

设计建议

1. 延性改善措施：ACSDST构件的破坏模式为脆性开裂，建议在铝合金外管外表面增设纤维增强聚合物（FRP）缠绕层，或在内表面设置抗剪连接件，以延缓开裂并提高延性。
2. 刚度验算：对于正常使用极限状态，应采用AIJ方法计算刚度，并控制挠度不超过L/250。对于承载能力极限状态，可采用CFDST公式计算承载力，但需对铝合金管进行局部稳定验算（考虑径厚比）。
3. 铝合金与混凝土的界面处理：铝合金表面光滑，与混凝土的粘结强度较低，可能导致滑移。建议对铝合金管内表面进行喷砂或刻痕处理，以提高界面粘结力。

施工与检测要点

• 铝合金管焊接应采用TIG或MIG工艺，避免热输入过大导致变形。焊缝应进行100%渗透检测（PT）。
• 混凝土浇筑时，应采用自密实混凝土（SCC），并控制坍落度≥200 mm，以确保填满铝合金管与钢管之间的空隙。
• 使用阶段应定期检查铝合金外管表面是否有裂纹或腐蚀点，尤其是在海洋环境中。

总结

该文献通过对ACSDST组合构件的受弯试验，明确了其破坏模式为铝合金外管开裂，并验证了采用EC4和AIJ规范预测刚度的适用性，以及CFDST公式预测承载力的可行性。研究为轻质、高耐久性组合构件的设计提供了重要参考。作为设计人员，我们应认识到铝合金外管的脆性破坏特征，并通过构造措施（如FRP加固、界面处理）提升构件的延性。未来研究可进一步考虑长期荷载下铝合金的蠕变效应，以及火灾高温下铝合金性能的退化。该构件在海洋平台、跨海桥梁等对耐久性要求高的结构中有广阔应用前景。