L形方钢管高强灌浆料组合异形柱轴压性能试验研究学习体会

研究背景与工程需求

本文出自《太原理工大学学报》2025年第56卷第2期，由太原理工大学土木工程学院的研究人员撰写，得到了国家自然科学基金的资助。研究聚焦于L形方钢管高强灌浆料组合异形柱的轴压性能，通过试验研究了不同灌浆料强度和钢管壁厚对轴压性能的影响。

在高层建筑和复杂结构工程中，异形柱（如L形、T形、十字形等）因其独特的几何形状和空间布局优势，被广泛应用于核心筒、楼梯间、设备间等部位。然而，传统的普通钢管混凝土异形柱存在以下问题：

• 适用高度低：普通钢管混凝土异形柱的适用高度通常不超过20 m，难以满足超高层建筑的需求。
• 阴角处钢管和混凝土易脱离：在L形等异形柱的阴角处，钢管与混凝土之间的约束作用较弱，容易发生脱离，导致结构性能下降。

针对这些问题，本文提出了将三个方钢管混凝土柱焊接形成L形组合异形柱，并将100 MPa以上的超高强灌浆料应用于组合异形柱中的创新方案。

试验设计与方法

试件设计

试验设计了多组L形组合异形柱试件，主要变量包括：

• 灌浆料强度：从100 MPa到更高强度等级，研究灌浆料强度对轴压性能的影响。
• 钢管壁厚：从4 mm到6 mm，研究钢管壁厚对轴压性能的影响。

试件的几何尺寸、材料性能、焊接工艺等参数均按照相关标准和规范设计，确保试验结果的可靠性和可比性。

试验方法

采用轴心受压试验，对试件进行加载直至破坏。试验过程中记录以下数据：

• 荷载-位移曲线：反映试件的承载能力和变形特性。
• 应变分布：通过应变片测量钢管和灌浆料的应变分布，了解材料的受力状态。
• 破坏形态：观察并记录试件的破坏过程，分析破坏机理。

对比分析

试验结果与国内外8本现行规范中的轴压承载力计算公式进行了对比，包括：

• 中国规范：GB 50010、JGJ 4等
• 美国规范：AISC 360、ACI 318等
• 欧洲规范：Eurocode 4等
• 日本规范：AIJ规范等

通过对比分析，确定哪种规范的计算公式最接近试验结果。

试验结果与深度分析

轴压承载力的提升

试验结果表明，含有超高强灌浆料的组合异形柱的轴压承载能力较纯钢异形柱提高92%~170%。这一显著提升主要归因于以下因素：

1. 灌浆料的贡献：超高强灌浆料具有较高的抗压强度，直接贡献了试件的承载能力。
2. 钢管的约束作用：钢管对灌浆料施加了环向约束，提高了灌浆料的抗压强度和延性。
3. 协同工作效应：钢管和灌浆料在轴压作用下协同工作，形成了"1+1>2"的增强效应。

灌浆料强度的影响

随着高强灌浆料强度的增加，钢管对高强灌浆料的约束作用减小，试件延性提高。这一现象可以从以下方面理解：

• 约束效应减弱：灌浆料强度越高，其自身的抗压能力越强，对钢管约束的依赖程度降低。因此，钢管的约束作用相对减弱。
• 延性提高：灌浆料强度越高，其在受压时的变形能力越好，试件的整体延性随之提高。这对于抗震结构尤为重要，因为延性好的结构在地震作用下能够更好地耗散能量，减少破坏。

钢管壁厚的影响

钢管壁厚从4 mm增大到6 mm，可有效抑制局部发生鼓曲，构件破坏形式从鼓曲破坏为主变成弯曲变形为主，试件延性平均增大50%以上。这一结果具有重要的工程指导意义：

• 局部稳定性：钢管壁厚增加提高了钢管的局部稳定性，抑制了鼓曲破坏的发生。鼓曲破坏是一种脆性破坏模式，一旦发生，结构迅速失效。
• 破坏模式转变：壁厚增加使破坏模式从脆性的鼓曲破坏转变为延性的弯曲变形，显著提高了结构的延性和抗震性能。
• 延性提升：延性提升50%以上，意味着结构在破坏前能够承受更大的变形，这对于抗震设计至关重要。

规范对比分析

试验结果与8本现行规范的对比表明，采用AISC 360规范所得的计算值最接近试验结果。这说明：

• AISC 360的适用性：AISC 360规范在计算钢管混凝土组合构件的轴压承载力时，考虑了钢管和混凝土的协同工作效应，计算方法较为合理。
• 其他规范的偏差：其他规范可能存在对组合异形柱的适用性问题，或者对超高强灌浆料的考虑不足，导致计算结果与试验结果存在偏差。

工程应用建议

设计优化建议

基于试验结果，提出以下设计优化建议：

1. 灌浆料强度选择：建议采用100 MPa以上的超高强灌浆料，以充分发挥组合异形柱的承载能力和延性。
2. 钢管壁厚选择：建议钢管壁厚不小于6 mm，以有效抑制局部鼓曲，提高结构的延性和抗震性能。
3. 阴角处理：在L形异形柱的阴角处，应采取特殊构造措施（如增设加劲肋、采用焊接加强等），防止钢管和灌浆料脱离。

施工质量控制要点

• 灌浆料浇筑：确保灌浆料充分填充钢管内部，避免空洞和缺陷。可采用振动辅助浇筑，提高灌浆料的密实度。
• 焊接质量：确保钢管焊接接头的质量，避免焊接缺陷影响结构的承载能力。焊接后应进行无损检测，确保焊缝质量。
• 养护条件：灌浆料浇筑后应进行充分的养护，确保其强度正常发展。养护温度、湿度和时间应符合规范要求。

抗震设计考虑

L形组合异形柱的延性提升对于抗震设计具有重要意义。在抗震设计中，应考虑以下因素：

• 延性系数：根据试验结果，确定组合异形柱的延性系数，用于抗震性能评估。
• 耗能能力：组合异形柱在地震作用下能够通过钢管和灌浆料的塑性变形耗散能量，提高结构的抗震能力。
• 恢复力模型：建立组合异形柱的恢复力模型，用于非线性抗震分析。

学习心得与展望

本文的研究具有重要的理论意义和工程应用价值。通过系统的试验研究，揭示了超高强灌浆料和钢管壁厚对L形组合异形柱轴压性能的影响规律，为这一新型结构构件的设计和应用提供了科学依据。

从技术创新的角度来看，本文提出的将三个方钢管混凝土柱焊接形成L形组合异形柱的方案，是一种巧妙的结构设计方法。这种方法不仅解决了传统异形柱适用高度低的问题，还通过超高强灌浆料的应用显著提高了结构的承载能力和延性。

从工程实践的角度来看，本文的研究为超高强灌浆料在钢管混凝土异形柱结构中的应用和推广提供了试验数据和技术支撑。随着超高强灌浆料成本的降低和施工技术的成熟，这一技术方案将在高层建筑和复杂结构工程中得到更广泛的应用。

从规范发展的角度来看，本文的试验结果与AISC 360规范的对比分析，为我国钢管混凝土组合构件的规范制定提供了参考。未来，我国应结合工程实践，制定适用于超高强灌浆料组合异形柱的设计规范，推动这一新型结构构件的标准化应用。

总体而言，本文为L形方钢管高强灌浆料组合异形柱的设计和应用提供了科学依据和工程指导，对于推动钢管混凝土结构技术的发展具有重要的参考价值。