带约束拉杆壁式钢管混凝土柱拟静力试验研究——从钢管制造与焊接工艺角度的技术解读

文献概况与技术背景

本文出自《工程力学》2021年第38卷第12期，由西安建筑科技大学郝际平教授团队完成，研究了一种截面高宽比为3.0的壁式钢管混凝土柱（Wall-type CFST Column），通过增设约束拉杆来抑制柱壁局部屈曲，并以2个足尺试件的拟静力试验验证其抗震性能。作为长期从事钢管制造与焊接工艺的技术人员，我特别关注该文献中涉及的矩形钢管焊接工艺、纵向焊缝质量控制以及约束拉杆与钢管壁的连接方式等关键制造环节。

钢管构件制造与焊接工艺分析

矩形钢管的成型与焊接

壁式钢管混凝土柱的核心构件是矩形截面钢管，其高宽比达到3.0，属于典型的非等边矩形管。根据GB/T 6728标准，矩形钢管的边长偏差、壁厚偏差、对角线差等几何精度指标直接影响后续混凝土浇筑质量和构件整体刚度。对于高宽比3.0的矩形管，长边方向的板厚稳定性尤为关键，因为长边在受压时更容易发生局部屈曲。

在实际生产中，矩形钢管通常采用冷弯成型后焊接（ERW或HFW高频焊接）工艺。对于此类壁式柱，钢管壁厚一般不低于6mm，以保证足够的约束能力和承载力。焊接工艺选择时，需重点考虑以下参数：

约束拉杆与钢管壁的连接焊接

约束拉杆是本研究的核心创新点，其作用是通过横向约束抑制柱壁在受压时的局部屈曲。拉杆与钢管壁的连接方式直接决定了约束效果。从焊接工艺角度分析，拉杆与钢管壁的连接焊缝属于典型的角焊缝或坡口焊缝，其质量直接影响约束系统的可靠性。

在拟静力试验中，试件破坏模式为"柱底四周钢板受压鼓曲、钢板间纵向焊缝撕裂"，这一破坏模式恰恰说明纵向焊缝是整个构件的薄弱环节。从焊接冶金角度分析，纵向焊缝在反复低周荷载作用下，焊趾处容易产生疲劳裂纹。因此，在实际工程中，建议对纵向焊缝进行以下强化处理：

• 焊趾处采用砂轮打磨或TIG修磨处理，消除焊趾缺口应力集中
• 焊缝根部进行超声检测（UT），确保无未熔合和根部裂纹
• 必要时在焊缝两侧增设过渡圆角，减小应力梯度

钢板间纵向焊缝的撕裂机理

试验中观察到的纵向焊缝撕裂是本次研究最值得关注的失效模式。从焊接冶金学角度分析，焊缝金属与母材的热膨胀系数差异在反复荷载下产生交变应力，导致焊趾处微裂纹萌生并扩展。对于Q345或Q390级别的低合金结构钢，焊缝金属通常选用E5015或E5016焊条（对应AWS E7015/E7016），其韧性指标需满足GB/T 5117的要求。

抗震性能指标与工程应用启示

试验结果表明，该壁式钢管混凝土柱的屈服位移角在1/147 rad至1/121 rad之间，极限位移角在1/51 rad至1/41 rad之间，位移延性系数在2.61至3.11之间，破坏时的等效粘滞阻尼系数在0.3以上。这些数据表明该构件具有良好的抗震延性和耗能能力，满足GB 50011-2010对多高层钢结构抗震设计的位移角限值要求。

从钢管制造与焊接质量控制的角度，我认为该研究为壁式钢管混凝土柱的工程应用提供了以下启示：第一，约束拉杆的合理设置可以显著提高柱壁的局部稳定性，减少因局部屈曲导致的承载力损失；第二，纵向焊缝的质量控制是保证构件抗震性能的关键环节，建议在设计和施工阶段将纵向焊缝列为关键质量控制点；第三，有限元分析模型的建立与试验验证的吻合，为后续参数化研究提供了可靠的数值工具，有助于优化钢管壁厚、约束拉杆间距等设计参数。

个人思考与工程建议

作为一名长期关注钢管焊接质量的技术人员，我深感此类组合构件的抗震性能不仅取决于结构设计和材料选择，更与制造过程中的焊接质量密切相关。在实际工程推广中，建议建立从原材料入厂检验、焊接工艺评定、焊缝无损检测到成品复验的全流程质量控制体系，确保每一道焊缝都满足设计要求。同时，建议对约束拉杆连接焊缝进行专门的疲劳性能试验，以验证其在长期服役条件下的可靠性。