十字形钢管束混凝土组合墙抗扭设计方法——技术学习体会

文献概况与研究背景

本文发表于《苏州科技大学学报（工程技术版）》2025年第38卷第4期，由苏州科技大学土木工程学院与江苏沪宁钢机股份有限公司合作完成，受国家自然科学基金项目（52378173）和江苏省高等学校自然科学研究重大项目（17KJA560003）资助。研究聚焦十字形钢管束混凝土组合墙（SCW）在压弯扭联合作用下的抗扭性能，提出了抗扭刚度及抗扭承载力计算公式。

组合结构在高层建筑、大跨空间结构中的应用日益广泛，而抗扭性能往往是结构安全的关键控制因素。十字形钢管束混凝土组合墙作为一种新型组合结构形式，具有截面刚度大、抗扭性能好、施工便捷等优点，但其抗扭设计方法尚不完善，制约了工程应用。本文的研究填补了这一空白。

研究方法与模型构建

有限元模型

作者采用ABAQUS有限元分析软件，建立了7个系列共26个十字形SCW的有限元模型，系统分析了多种参数对抗扭性能的影响。有限元模型的建立需要精确考虑以下关键要素：

• 钢管与混凝土的接触关系：采用面-面接触算法，法向接触采用"硬接触"，切向接触采用Coulomb摩擦模型，摩擦系数取0.2-0.4；
• 钢管的本构模型：采用弹塑性本构关系，考虑钢材的强化效应；
• 混凝土的本构模型：采用塑性损伤模型（CDP），考虑混凝土的拉压不同特性与损伤演化；
• 边界条件：模拟实际约束状态，包括顶部自由、底部固支等。

参数化分析

核心发现与技术要点

抗扭刚度规律

研究表明，十字形SCW的初始抗扭刚度主要受以下因素影响：

1. 钢板厚度：钢板厚度增加使截面惯性矩增大，抗扭刚度显著提高。从工程角度看，这意味着增加钢板厚度是提高抗扭刚度的有效途径，但需权衡经济性。
2. 腔体数量：腔体数量增加使截面几何特性改善，抗扭刚度明显增大。多腔体设计可显著提高抗扭性能，但增加了制造与施工复杂度。
3. 单腔高宽比：改变单腔高宽比对初始抗扭刚度影响不明显，说明截面形状在一定范围内变化不会显著影响抗扭性能。

抗扭承载力规律

抗扭承载力的影响因素与抗扭刚度有所不同：

1. 钢材强度、钢板厚度和腔体数量的提高对抗扭承载力的提升效果最为明显。这符合组合结构的基本力学原理——钢材承担主要拉力，混凝土承担主要压力，两者协同工作。
2. 降低弯扭比可提高抗扭承载力。这是因为弯扭联合作用下，弯矩引起的应力与扭矩引起的应力叠加，降低了结构的抗扭储备。
3. 混凝土强度与钢材强度对抗扭承载力的影响相对较小，说明在常规强度范围内，抗扭承载力主要受截面几何特征控制。

计算公式提出

基于有限元分析结果，作者提出了十字形SCW初始扭转刚度及抗扭承载力的计算公式。公式的理论值与数值模拟结果吻合较好，验证了公式的准确性。

虽然文献未给出公式的具体数学形式，但从研究思路看，抗扭刚度公式应基于薄壁杆件扭转理论，考虑钢管与混凝土的协同工作效应；抗扭承载力公式应基于截面塑性分析，考虑钢材与混凝土的强度贡献。

工程应用思考

设计优化建议

基于本文的研究成果，对十字形SCW的工程设计提出以下建议：

• 优先通过增加钢板厚度和腔体数量来提高抗扭性能，这是性价比最高的途径；
• 在满足抗扭承载力要求的前提下，可适当降低弯扭比，即通过优化结构布置减少弯矩对扭力的不利影响；
• 单腔高宽比的选择应以施工便利性和经济性为主要考量，而非抗扭性能。

制造与施工要点

十字形SCW的制造涉及钢管加工、混凝土浇筑、连接节点等多个环节，需要重点关注以下质量控制点：

与现有规范的衔接

本文提出的计算公式需要与现行结构设计规范进行衔接。建议在后续研究中，将计算结果与试验数据进行对比验证，并推动相关设计方法纳入行业标准或规范，为工程应用提供依据。

关键疑问与深度思考

一是有限元模型的验证问题。虽然作者提到计算结果与试验结果验证良好，但有限元模型的准确性取决于本构模型的选择、接触关系的模拟、边界条件的设置等多个因素。建议在后续研究中增加试验验证样本量，并开展模型敏感性分析。

二是长期性能与疲劳性能问题。本文主要关注短期静力性能，但实际工程中结构可能承受长期荷载与循环荷载作用。十字形SCW在长期荷载下的徐变、收缩效应，以及在循环荷载下的疲劳性能，是工程应用必须考虑的问题。

三是火灾后性能问题。参考同期发表的中空夹层钢管混凝土火灾后性能研究，十字形SCW的火灾后抗扭性能同样值得关注。火灾后钢材强度退化、混凝土开裂等因素将显著影响结构的抗扭承载力。

学习心得与启示

本文的研究方法值得借鉴：通过系统性的参数化有限元分析，揭示了各参数对抗扭性能的影响规律，并在此基础上提出实用的计算公式。这种"数值模拟+参数分析+公式提出"的研究范式，对于新型结构形式的设计方法开发具有通用指导意义。

对工程实践的启示是：新型组合结构的推广应用，需要配套完善的设计方法。仅有试验数据或数值模拟结果是不够的，必须转化为工程师可直接使用的计算公式或设计图表，才能真正推动工程应用。