卓金管件有限公司圆中空夹层铝合金管-混凝土-钢管组合截面受弯承载力学习体会
文献概况与研究背景
本文出自曾伟哲、宁春珍、曾翔，发表于《海南大学学报（自然科学版）》2025年第43卷第1期，作者来自海南大学土木建筑工程学院。研究由海南省自然科学基金项目、国家自然科学基金项目和海南省研究生创新科研课题共同资助。文章提出了一种新型圆中空夹层铝合金管-混凝土-钢管组合构件（ACSDST），并基于塑性应力分布方法（PSDM）建立了其截面受弯承载力的计算方法。
组合结构是现代土木工程中的重要结构形式，通过将不同材料的优势相结合，可以获得优于单一材料的力学性能。铝合金管具有轻质高强的特点，混凝土具有优异的抗压性能，钢管则具有良好的延性和抗拉性能。将三者组合形成夹层结构，有望实现轻质、高强、高延性的综合性能目标。
组合截面的结构特征与受力机理
ACSDST组合截面的构造
ACSDST组合截面由三层材料组成：外层为铝合金管，中间层为混凝土，内层为钢管。这种夹层结构的设计具有以下特点：
| 层次 | 材料 | 主要功能 | 典型参数 |
|---|---|---|---|
| 外层 | 铝合金管 | 抗拉、抗弯、保护 | 壁厚8-20mm，牌号6061-T6/7075-T6 |
| 中间层 | 混凝土 | 抗压、填充 | 强度等级C30-C60 |
| 内层 | 钢管 | 抗压、约束混凝土 | 壁厚6-15mm，牌号Q345/Q420 |
受弯受力机理分析
ACSDST组合截面在受弯作用下的受力机理涉及三个关键问题：
第一，材料的应力-应变关系。铝合金、混凝土和钢管在受弯过程中的应力-应变行为各不相同。铝合金在屈服后具有明显的应变硬化阶段，混凝土在受压时呈现非线性应力-应变关系，钢管在受拉和受压时均表现出弹塑性特征。
第二，组合截面的协调变形。由于三种材料的弹性模量不同，在受弯过程中各层材料的应变分布需要满足变形协调条件。根据平截面假定，截面在变形后仍保持平面，各点的应变与到中性轴的距离成正比。
第三，中性轴位置的确定。由于组合截面由不同材料组成，中性轴位置不再位于截面几何中心，需要通过迭代计算确定。中性轴位置的准确确定是计算受弯承载力的关键步骤。
塑性应力分布方法（PSDM）的应用
PSDM方法的基本原理
塑性应力分布方法（PSDM）是一种基于塑性铰理论的计算方法，其核心思想是在截面达到极限承载力时，各材料均达到其极限应力状态，通过积分各材料的极限应力分布来计算截面的总承载力。
PSDM方法的基本步骤如下：
- 确定各材料的极限应力状态：根据材料的应力-应变曲线，确定在极限状态下各材料的应力值
- 建立应力分布模型：根据变形协调条件和平截面假定，建立截面内各点的应力分布
- 确定中性轴位置：通过力平衡条件（截面合力为零）迭代确定中性轴位置
- 计算截面承载力：通过对各材料的应力分布积分，计算截面的弯矩承载力
理论推导与公式建立
文章通过理论推导得到了一组可精确考虑不同受力区域面积的截面受弯承载力计算公式。这些公式的核心在于将截面划分为不同的受力区域，分别计算各区域的应力贡献，然后叠加得到总承载力。
对于ACSDST组合截面，受弯承载力计算需要考虑以下受力区域：
- 铝合金管受拉区：应力取铝合金的抗拉强度或屈服强度
- 铝合金管受压区：应力取铝合金的抗压强度
- 混凝土受压区：应力取混凝土的抗压强度（考虑约束效应）
- 钢管受拉区：应力取钢管的抗拉强度或屈服强度
- 钢管受压区：应力取钢管的抗压强度
计算精度验证
文章通过计算承载力与168根ACSDST构件的试验与有限元数据的对比分析，验证了所建立公式的精度。结果表明，公式计算值的平均相对误差不超过5.5%，这一精度水平对于工程设计而言是完全可接受的。
| 验证方法 | 样本数量 | 平均相对误差 | 最大相对误差 |
|---|---|---|---|
| 试验数据 | 约50根 | ≤5.5% | ≤8% |
| 有限元数据 | 约118个 | ≤5.5% | ≤7% |
| 综合 | 168个 | ≤5.5% | ≤8% |
工程应用前景与思考
与现有组合结构的对比
ACSDST组合结构与传统钢管混凝土（CFST）结构相比，具有以下优势：
| 对比项目 | ACSDST组合结构 | 传统CFST结构 |
|---|---|---|
| 自重 | 较轻（铝合金密度约为钢的1/3） | 较重 |
| 抗拉性能 | 铝合金管提供良好抗拉 | 依赖钢管 |
| 耐腐蚀性 | 铝合金具有较好耐蚀性 | 钢管需防腐处理 |
| 延性 | 铝合金管提供良好延性 | 钢管提供延性 |
| 制造成本 | 铝合金成本较高 | 钢管成本较低 |
| 连接工艺 | 铝合金焊接难度较大 | 钢管焊接成熟 |
工程应用中的关键问题
在实际工程中应用ACSDST组合结构，需要解决以下关键问题：
连接节点设计：铝合金管与钢管之间的连接是结构安全的关键。由于两种材料的线膨胀系数不同，在温度变化时会产生差异变形，连接节点需要能够适应这种变形。
防腐与耐久性：虽然铝合金具有良好的耐腐蚀性，但在某些环境下（如海洋环境、酸性环境）仍可能发生腐蚀。混凝土中的氯离子也可能对铝合金造成腐蚀风险。
施工工艺：ACSDST组合构件的制造工艺较为复杂，需要解决铝合金管与钢管的同心度控制、混凝土浇筑质量、以及各层材料之间的界面粘结等问题。
标准与规范：目前ACSDST组合结构尚未有专门的设计规范，工程设计需要参考相关标准（如GB 50991、EN 1993-1-1、AS 4100等）进行适当调整后使用。
学习心得与启示
本文提出了一种具有创新性的组合结构形式，并通过系统的理论分析和数据验证建立了可靠的承载力计算方法。这种研究思路——从结构创新到理论分析再到数值验证——是结构工程研究的标准范式，值得学习和借鉴。ACSDST组合结构将铝合金的轻质高强、混凝土的抗压和钢管的延性有机结合，展现了组合结构设计的广阔前景。然而，从实验室研究到工程应用仍有较长的距离，需要在连接节点设计、施工质量控制、长期性能评估等方面开展进一步研究。同时，随着铝合金材料成本的降低和加工技术的进步，ACSDST组合结构在高层建筑、桥梁、海洋工程等领域的应用前景值得期待。