热弯钢管CFST外包RC复合节点受力性能文献学习体会

文献概况与背景

本文出自哈尔滨工业大学学报2022年第10期，由北京工业大学城市与工程安全减灾教育部重点实验室李振宝等人完成，受国家自然科学基金（51978014）资助。研究对象为某体育馆大跨桁架结构中弦杆钢管经热弯后竖直插入地下钢筋混凝土框架柱的拱脚节点，属于典型的CFST（Concrete-Filled Steel Tube，钢管混凝土）与外包RC（Reinforced Concrete，钢筋混凝土）复合节点体系。该类节点在大跨空间结构、体育馆、车站等建筑中应用广泛，其受力性能直接关系到结构整体安全。

核心试验方案与关键参数

试验设计了3个采用热弯圆钢管的CFST-外包RC组合节点，在弦杆受压、腹杆受拉的复杂受力状态下进行加载试验，并辅以有限元数值模拟。研究变量包括热弯钢管残余应力、不同弯曲角度以及弦杆根部钢管内是否填充混凝土等因素。

关键技术发现与工程解读

试验结果表明，该类复合节点的破坏形态主要为弦杆根部钢管的屈曲破坏，节点承载力取决于弦杆根部受压承载力。这一发现具有重要的工程指导意义——在结构设计时，必须重点关注弦杆根部区域的局部稳定性验算，不能仅凭整体构件承载力来判定节点安全性。

热弯工艺引入的残余应力对节点刚度有明显降低作用，且钢管弯曲角度越大，刚度降低越显著。然而，残余应力对承载力基本没有影响。从焊接与热加工的角度分析，热弯过程中钢管截面经历不均匀塑性变形，外侧受拉区与内侧受压区产生残余应力分布，这种残余应力在后续加载过程中会提前激活局部塑性铰，从而降低弹性阶段的刚度表现。但对承载力的影响有限，说明热弯残余应力尚未达到显著削弱极限承载能力的程度。

钢管内填充混凝土可以显著提高节点刚度和承载力，且节点刚度和承载力随钢管直径增大而增大。这一结论与钢管混凝土柱的经典理论一致——混凝土对钢管提供侧向约束，钢管对混凝土提供约束作用，二者协同工作可大幅提升构件性能。

从焊接与热加工工艺角度的思考

热弯工艺是钢管成型中的常见手段，但在实际工程中，热弯温度控制、弯曲速率、弯曲模具设计等参数对残余应力分布有直接影响。结合工程实践经验，以下几点值得深入思考：

• 热弯温度通常控制在材料再结晶温度以上（碳钢约700-900°C），温度过高会导致晶粒粗化，降低材料韧性；温度过低则塑性不足，易产生微裂纹。
• 弯曲角度越大，截面内外侧应变差越大，残余应力梯度越陡，对节点刚度退化的影响越显著。
• 对于大跨桁架结构，弦杆弯曲角度往往较大（常见30°-60°），此时热弯残余应力的影响不容忽视，设计时应适当考虑刚度折减。
• 填充混凝土时，混凝土的浇筑质量、密实度以及钢管内壁处理（除锈、涂脱模剂等）对协同工作效果有重要影响，这些细节在实际施工中常被忽视。

对工程设计的启示

从"强节点、弱构件"的抗震设计原则出发，该类复合节点的设计应重点关注弦杆根部区域的局部屈曲控制。建议在以下方面加强设计考量：

1. 对热弯钢管进行残余应力测试或参考已有数据，在设计中适当折减刚度。
2. 弦杆根部优先采用填充混凝土方案，以提高节点整体刚度和承载力。
3. 对于大弯曲角度的节点，应通过有限元模拟或试验验证其实际性能，不宜直接套用常规节点设计公式。
4. 外包RC框架柱的配筋构造应确保与CFST弦杆的有效连接，避免连接薄弱区成为破坏起始点。

学习心得与总结

本文的研究对象具有较强的工程针对性，针对体育馆大跨桁架结构中的特定节点形式进行了系统的试验与数值模拟研究。试验方案合理，变量设置科学，结论清晰。从钢管制造与焊接工艺的角度看，热弯残余应力对节点性能的影响是一个值得深入关注的课题。在实际工程中，热弯钢管的应用越来越广泛，但对其残余应力效应的系统研究仍显不足。建议后续研究可进一步开展不同热弯工艺参数（温度、速率、模具形状）对残余应力分布及其对节点性能影响的对比试验，为工程实践提供更精确的指导数据。同时，对于CFST-外包RC复合节点，建议结合更多实际工程案例进行参数化分析，形成系统的设计建议，推动该类节点在工程中的规范化应用。