格构式钢骨-钢管混凝土构件轴压性能试验研究学习体会

文献概况与研究价值

王先铁等（2022）发表于《湖南大学学报（自然科学版）》的这篇论文，系统研究了格构式钢骨-钢管混凝土构件的轴压性能。该研究依托国家自然科学基金（51678474），由西安建筑科技大学土木工程学院与中国电力科学研究院有限公司合作完成。在超高层建筑和大跨度结构中，钢管混凝土构件是常用的抗侧力和竖向承重构件，但其承载力受限于外钢管的壁厚和截面尺寸。本文创新性地提出了在钢管混凝土内部配置格构式钢骨和纵向加劲肋的方案，通过试验和有限元分析验证了其提高承载力的效果，为钢管混凝土构件的承载力提升提供了新的技术路径。

核心试验结果与技术分析

不同内部构造对承载力的影响

文献以是否配置纵向加劲肋和格构式钢骨为主要变化参数，对 4 组共 8 个试件进行了轴心受压试验。试验结果表明：内配纵向加劲肋试件的极限承载力提高了 4.65%，内配格构式钢骨试件的极限承载力提高了 10.53%，同时配置纵向加劲肋和格构式钢骨试件的极限承载力提高了 21.12%。这一结果清晰地表明，格构式钢骨对承载力的提升效果显著优于纵向加劲肋，而两者的组合效果具有叠加效应。从结构力学角度分析，格构式钢骨在构件内部形成了"核心柱"效应，通过其自身的抗弯刚度和与混凝土的协同作用，有效延缓了核心混凝土的裂缝发展，提高了构件的整体承载能力和延性。

破坏形态分析

各组轴压试件的破坏形态基本一致，以整体失稳变形为主，伴随外钢管不同程度的鼓曲变形。这一破坏模式与经典钢管混凝土构件的破坏特征一致，表明内部构造的改变并未改变构件的基本破坏机制，而是通过提高局部承载能力和约束效应来延缓破坏的发生。从钢管制造的角度看，外钢管的鼓曲变形是钢管局部屈曲的表现，其发生位置通常位于应力集中区域或壁厚不均匀区域。在制造过程中，应严格控制钢管的壁厚均匀性和截面圆度，以减少局部屈曲的诱发因素。

有限元分析与承载力计算公式

文献利用 ABAQUS 软件对格构式钢骨-钢管混凝土构件进行了轴心受压全过程数值模拟，明确了各部件的应力发展过程，并提出了轴压承载力计算公式。公式计算结果与试验结果吻合较好且总体偏于安全。从工程应用的角度看，偏于安全的计算公式有利于保证结构安全，但在经济性方面可能需要进一步优化。在实际工程中，建议根据具体工程条件对公式进行适当的修正和标定，以实现安全与经济性的平衡。

与钢管制造及焊接工艺的结合

格构式钢骨-钢管混凝土构件的制造涉及复杂的焊接工艺。格构式钢骨通常由角钢或圆钢通过焊接形成空间桁架结构，其焊接质量直接影响格构的承载能力和与混凝土的协同工作效果。在焊接工艺选择上，建议采用以下方案：

从焊接残余应力的角度分析，格构式钢骨在钢管内部的焊接会产生复杂的残余应力场，这些残余应力在轴压荷载作用下可能与外荷载产生的应力叠加，影响构件的整体稳定性和承载力。因此，在焊接工艺设计中应充分考虑残余应力的分布规律，必要时采用焊接后热处理（PWHT）或振动时效（VSR）来消除或降低残余应力。

学习心得与工程启示

本文的最大贡献在于通过系统的试验研究，验证了格构式钢骨-钢管混凝土构件的承载力提升效果，并提出了实用的承载力计算公式。21.12% 的承载力提升幅度（同时配置纵向加劲肋和格构式钢骨）是一个相当可观的数值，对于受承载力控制的超高层建筑和大跨度结构具有重要的工程价值。从钢管制造的角度看，内部构造的增加虽然提高了制造难度，但通过合理的焊接工艺设计和严格的质量控制，完全可以实现高质量的制造。在实际工程中，建议在设计阶段充分考虑格构式钢骨的布置方案与钢管截面尺寸的匹配性，在制造阶段严格控制焊接质量和尺寸精度，在施工阶段确保混凝土浇筑质量，以充分发挥格构式钢骨-钢管混凝土构件的承载力优势。