主余震作用下钢管混凝土箱形叠合墩抗震性能学习体会

文献概况与研究背景

袁辉辉等（2023）在《中国公路学报》发表的这篇论文，针对新型组合结构——钢管混凝土箱形叠合墩（CFSTRC墩），通过拟动力试验系统研究了主余震序列作用下的抗震性能。CFSTRC墩是一种将钢管混凝土（CFT）核心柱与钢筋混凝土外围柱组合而成的新型抗剪结构，在桥梁工程中具有广泛的应用前景。

该研究采用1∶11.6缩尺模型，在2个CFSTRC墩试件上施加了10条强地震动和主余震序列激励，全面评估了地震动特性、地震动强度以及主余震序列对结构抗震性能的影响。

试验方案与关键技术参数

试件构造与材料参数

加载方案

试验采用拟动力加载方式，分为三个阶段：第一阶段施加10条PGA=0.05g的强地震动（含日本阪神大地震JRT波等）；第二阶段施加9度罕遇主震（PGA≈0.7g）；第三阶段施加逐级增强的余震序列。

核心试验结果分析

弹性阶段响应特征

在PGA=0.05g的地震动作用下，两个试件均处于弹性工作状态，说明CFSTRC墩在小震下的刚度储备充足。值得注意的是，日本阪神大地震JRT波作用下的最大位移响应是平均值的1.68倍，这一结果揭示了地震动频谱特性对结构响应的显著影响。从钢管焊接质量的角度看，这种频谱敏感性意味着钢管与混凝土之间的连接质量必须满足较高要求，以确保在地震频谱激励下不发生局部滑移或脱粘。

主震作用下的损伤特征

在9度罕遇主震作用下，试件S1进入强度劣化阶段，试件S2仍处于弹塑性变形阶段。两个试件的破坏形态具有共同特征：

钢管局部屈曲是CFSTRC墩破坏的关键诱因。从焊接工艺角度分析，钢管局部屈曲往往与焊接残余应力密切相关。钢管在制造过程中，焊接热输入引起的残余应力会在钢管管壁上形成不均匀的应力分布，降低钢管的实际屈曲承载力。在实际施工中，建议对CFSTRC墩用钢管进行焊后热处理（PWHT），将残余应力降至母材屈服强度的30%以下，以提高钢管的屈曲承载力。

主余震序列下的累积损伤

随着余震PGA逐级增大，主震中已损伤试件的墩顶最大位移响应呈线性增大，累积滞回耗能呈非线性增长。在与主震地震强度相当的余震作用下，关键性能指标变化如下：

从钢管制造与焊接角度的深度思考

钢管局部屈曲与焊接质量的关联

钢管局部屈曲是CFSTRC墩抗震性能退化的关键因素。从焊接冶金角度分析，钢管制造过程中的焊接热影响区（HAZ）是屈曲的薄弱环节。焊接过程中，HAZ区域的晶粒粗化、硬度升高和组织不均匀性，会导致该区域在受压状态下优先发生局部失稳。

针对这一问题，提出以下焊接工艺优化建议：

1. 焊前预热：对于Q345钢管，预热温度应控制在100～150℃，减缓焊接冷却速度，减少淬硬组织形成。
2. 多层多道焊：采用多层多道焊工艺，控制每道焊的热输入在15～25kJ/cm范围内，避免单次热输入过大导致HAZ晶粒粗化。
3. 焊后热处理：对关键受力钢管进行620～680℃的焊后热处理，消除残余应力，改善HAZ组织。
4. 焊缝位置优化：将焊缝布置在钢管应力较低的区域，避免焊缝位于最大弯矩截面或最大剪力截面。

钢管与混凝土的界面连接质量

CFSTRC墩中钢管与外围混凝土之间的协同工作机理是结构抗震性能的基础。钢管与混凝土之间的粘结强度、摩擦系数和界面滑移行为，直接影响结构的整体刚度和延性。从焊接工程角度，钢管表面的处理状态（如防腐涂层、氧化皮等）对界面粘结性能有显著影响。

建议在实际施工中：

• 钢管外表面采用机械除锈处理，达到Sa2.5级，去除影响粘结的涂层和氧化皮。
• 钢管表面可进行喷砂或滚花处理，增加表面粗糙度，提高与混凝土的摩擦系数。
• 钢管与外围钢筋之间设置定位钢筋（间距≤200mm），确保钢管在浇筑过程中不发生偏移。

损伤评估方法的工程应用

论文提出基于结构最大变形与累积滞回耗能线性组合的地震损伤指标，这一方法在工程实践中具有重要应用价值。对于CFSTRC墩的钢管焊接接头而言，累积滞回耗能的减少直接反映了焊接接头疲劳损伤的累积。在实际桥梁检测中，建议将钢管焊接接头作为重点检测对象，采用以下无损检测方法：

学习心得与工程启示

这篇论文的最大价值在于揭示了主余震序列对CFSTRC墩抗震性能的累积损伤效应。从钢管制造和焊接工程的角度，这一发现具有深刻的工程启示：

第一，CFSTRC墩的抗震设计不能仅考虑单次地震作用，必须充分考虑主余震序列的累积损伤效应。这意味着钢管焊接接头的疲劳寿命设计必须考虑多次地震激励的累积影响，焊接接头的疲劳等级应不低于FAT50。

第二，钢管局部屈曲是CFSTRC墩抗震性能退化的关键诱因，焊接质量直接决定了钢管的屈曲承载力。在实际工程中，必须严格执行焊接工艺评定和焊接质量检验制度，确保钢管焊接接头满足设计要求。

第三，地震动频谱特性对结构响应的影响不可忽视。在实际桥梁抗震设计中，应根据场地条件选择合适的设计地震动，并考虑地震动频谱特性对钢管焊接接头疲劳性能的影响。

第四，损伤评估方法的工程应用需要与钢管焊接质量检测相结合。建议建立钢管焊接接头性能数据库，将焊接工艺参数、焊接质量等级与结构抗震性能建立关联，为CFSTRC墩的抗震设计和维护提供数据支撑。

总体而言，这篇论文的研究成果为CFSTRC墩的抗震设计提供了重要的试验依据，同时也对钢管制造和焊接质量控制提出了新的要求。在后续工程中，建议将主余震序列效应纳入CFSTRC墩的抗震设计标准，并建立钢管焊接接头与结构抗震性能的关联数据库，推动钢管混凝土组合结构抗震技术的进一步发展。