内配圆钢管的圆钢管混凝土构件耐撞性能分析文献学习体会

文献概况与工程背景

本文发表于《振动与冲击》2019年第38卷第9期，由兰州大学土木工程与力学学院、兰州理工大学土木工程学院及太原理工大学建筑与土木工程学院联合完成，并获得国家自然科学基金、甘肃省高等学校协同创新团队等资助。研究提出了一种新型复合形式的组合构件——内配圆钢管的圆钢管混凝土构件，由圆钢管混凝土内部配置同心位置的圆管，并在内部圆管的内外两侧均浇筑混凝土而形成。基于有限元软件ABAQUS对该构件在低速横向撞击作用下的耐撞性能进行了数值模拟，并分析了主要影响参数。这一研究对于桥梁、隧道等基础设施的防撞设计具有重要的工程指导意义。

耐撞性能数值模拟方法

有限元模型建立

文献基于ABAQUS有限元软件建立了内配圆钢管的圆钢管混凝土构件的数值模型，并通过与其他研究者完成的钢管混凝土、中空夹层钢管混凝土试件的撞击试验数据进行对比，验证了模型的正确性。数值模型的建立需要考虑以下关键因素：

• 钢管材料的本构关系：采用弹塑性本构模型，考虑材料的应变率效应；
• 混凝土材料的本构关系：采用损伤塑性模型，考虑混凝土的拉压不同性能；
• 接触算法：钢管与混凝土之间的接触采用面面接触算法，考虑摩擦效应；
• 网格划分：撞击区域采用细化网格，确保应力波传播的数值精度。

从焊接制造角度看，数值模型中钢管焊接接头的位置和类型对耐撞性能有重要影响。焊接接头是构件的薄弱环节，在撞击荷载作用下可能率先失效。因此，在数值模拟中应准确模拟焊接接头的位置和力学性能，以确保模拟结果的准确性。

动力响应与破坏模态

文献分析了内配圆钢管的圆钢管混凝土构件在横向撞击作用下的动力响应全过程及其典型破坏模态。动力响应包括撞击瞬间的应力波传播、构件的局部变形、整体弯曲变形以及最终破坏。典型破坏模态包括外钢管局部屈曲、内钢管局部屈曲、混凝土压碎以及钢管与混凝土之间的界面剥离。

主要影响参数分析

外钢管强度与含钢率

文献参数分析结果表明，提高外钢管的强度及含钢率可以有效地改善构件的耐撞性能。含钢率是指钢管截面积与构件总截面积的比值，含钢率越高，钢管对混凝土的约束效应越强，构件的耐撞性能越好。从焊接制造角度看，提高含钢率意味着增加钢管壁厚或增加钢管数量，这会增加焊接工作量，对焊接工艺提出更高要求。

在实际制造中，为提高含钢率，可采用以下焊接工艺措施：

• 采用多层多道焊工艺，控制每道焊缝的厚度，避免过大的焊接热输入；
• 采用对称焊接顺序，减少焊接变形；
• 采用自动化焊接设备，提高焊接效率和一致性；
• 焊后进行无损检测，确保焊缝质量。

混凝土强度影响

文献指出，混凝土强度的变化对构件耐撞性能的影响很小。这一结论表明，在内配圆钢管的圆钢管混凝土构件中，钢管的约束效应是耐撞性能的主要影响因素，混凝土强度对耐撞性能的贡献相对有限。从工程应用角度看，这一结论为材料选择提供了指导：在满足基本力学性能要求的前提下，可适当降低混凝土强度等级，以降低成本。

支座约束条件

文献指出，增强构件两端的支座约束可以增强构件的耐撞性能。支座约束条件影响构件的整体变形模式和能量耗散机制。在撞击荷载作用下，支座约束越强，构件的整体弯曲变形越小，局部变形越集中，能量耗散越充分。从焊接制造角度看，支座区域的焊接质量直接影响约束效应的发挥。支座区域的焊接接头应具有较高的强度和刚度，以确保撞击荷载的有效传递。

内外径之比

文献指出，构件的内外径之比为0.6至0.8时，构件具有较好的耐撞性能。内外径之比影响构件的截面特性、约束效应和能量耗散机制。内外径之比过小时，内钢管对混凝土的约束效应不足；内外径之比过大时，外钢管的局部屈曲倾向增大。因此，存在一个最优的内外径之比范围，使构件的耐撞性能最佳。

焊接工艺对耐撞性能的影响

焊接接头位置与耐撞性能

焊接接头的位置直接影响构件在撞击荷载作用下的应力分布和破坏模式。若焊接接头位于撞击区域附近，焊缝可能成为应力集中点，导致构件提前失效。因此，在构件设计中应尽量避免焊接接头位于撞击区域。在实际制造中，可通过以下措施优化焊接接头位置：

• 采用分段制造、现场组焊的方式，将焊接接头布置在撞击区域之外；
• 采用对接焊接方式，减少焊缝长度，降低应力集中效应；
• 采用全熔透焊接，确保焊缝强度不低于母材强度。

焊接残余应力与耐撞性能

焊接残余应力是焊接制造过程中不可避免的现象，其对构件的耐撞性能有重要影响。焊接残余应力在撞击荷载作用下会与外荷载叠加，导致局部应力水平升高，加速构件失效。从焊接工艺角度，可通过以下措施降低焊接残余应力：

• 采用合理的焊接顺序，如对称焊接、分段退焊等；
• 控制焊接热输入，采用小电流、快速焊的工艺参数；
• 焊后进行热处理或振动时效处理，释放残余应力；
• 采用低氢型焊材，减少焊接裂纹倾向。

焊接缺陷与耐撞性能

焊接缺陷（如未熔合、气孔、裂纹）是构件耐撞性能的隐患。在撞击荷载作用下，焊接缺陷可能成为裂纹起始点，导致构件快速失效。因此，焊接制造过程中应严格执行无损检测程序，确保焊缝质量满足设计要求。

工程应用与展望

内配圆钢管的圆钢管混凝土构件作为一种新型防撞构件，在桥梁、隧道等基础设施的防撞设计中具有广阔的应用前景。其耐撞性能受外钢管强度、含钢率、内外径之比和支座约束条件等因素影响，而焊接工艺对构件的耐撞性能有重要影响。

作为钢管焊接技术专家，我认为内配圆钢管的圆钢管混凝土构件的焊接制造技术需要与耐撞性能要求相适应。焊接接头的位置、焊接残余应力水平以及焊接缺陷控制，都是影响构件耐撞性能的关键因素。未来，焊接工艺与耐撞性能的关联研究值得进一步深化，建立焊接质量参数与耐撞性能的定量关系模型，为工程应用提供更加精确的指导。同时，自动化焊接技术的发展将为提高焊接质量一致性、降低焊接残余应力提供新的技术手段，值得在工程实践中推广应用。