外包钢加固火灾后钢管混凝土叠合短柱轴压性能研究学习体会

文献概况与研究背景

本文发表于《工业建筑》2020年第50卷第10期，作者张正涛等来自沈阳建筑大学和辽宁省国际工程咨询中心，受国家自然科学基金青年科学基金项目和辽宁省"兴辽英才计划"资助。研究针对火灾后钢管混凝土叠合短柱的加固问题，采用外包钢方法，通过试验与有限元分析相结合的方式，系统研究了轴压性能。

钢管混凝土结构在工业与民用建筑中应用广泛，其钢管焊接质量直接决定了结构的整体性能。火灾后结构的加固修复，对焊接工艺提出了新的要求和挑战。

火灾对钢管焊接接头的损伤机理

火灾中，钢管混凝土柱的钢管焊接接头承受高温作用，其损伤机理包括以下几个方面：

1. 材料性能退化：高温使钢管钢材的屈服强度和弹性模量下降。根据Eurocode 4的规定，碳钢在600°C时屈服强度降至常温的约50%，弹性模量降至约70%。焊接接头的热影响区由于组织变化，其高温性能退化可能比母材更为显著。
2. 残余应力重分布：火灾升温过程中，钢管内外壁温差导致热应力产生，与原有焊接残余应力叠加，可能引起焊接接头附近的塑性变形。
3. 混凝土约束效应减弱：高温下混凝土强度下降，对钢管的约束作用减弱，钢管外鼓变形增大，焊缝承受更大的环向拉应力。

外包钢加固的焊接工艺要点

外包钢加固需要在原有结构上焊接新的钢构件，这一过程面临诸多焊接技术挑战：

在焊接方法选择方面，现场加固通常采用SMAW（手工电弧焊）或FCAW（药芯焊丝电弧焊），这些方法适应性强，但焊接质量受操作人员技术水平影响较大。对于厚壁外包钢，可能需要采用多层多道焊，严格控制层间温度，避免热影响区出现脆性组织。

在焊接变形控制方面，加固焊接产生的变形可能影响原有结构的几何精度和受力状态。特别是在钢管混凝土叠合柱中，缀板焊接产生的角变形会改变柱肢的直线度，影响结构整体稳定性。控制措施包括：采用对称焊接顺序、设置反变形量、采用分段跳焊等方法。

在焊接残余应力方面，加固焊接引入的残余应力与原有焊接残余应力叠加，可能降低结构的承载能力。焊后热处理（PWHT）是消除残余应力的有效手段，但在已服役结构上实施PWHT存在困难。此时可采用振动时效或局部热处理等替代方法。

试验与有限元分析的协同

作者采用试验与有限元分析相互印证的研究方法，这一方法在焊接工程中也同样重要。有限元分析可以模拟焊接过程的热-力学耦合行为，预测焊接变形和残余应力分布，但模型精度依赖于本构模型和边界条件的准确性。试验验证是确保分析结果可靠性的必要手段。

在加固焊接的有限元模拟中，需要考虑以下关键因素：焊接热源的移动速度、焊接热输入、冷却条件、约束条件以及材料的高温本构关系。对于外包钢加固焊接，还需考虑新旧构件之间的热-力学相互作用，即焊接热循环对原有构件性能的影响。

工程实践启示

从工程实践角度，火灾后钢管混凝土结构的加固修复需要综合考虑结构评估、加固设计和焊接施工三个环节。在结构评估阶段，应重点检测焊接接头的损伤情况，包括焊缝外观检查、无损检测以及必要的力学性能试验。在加固设计阶段，应充分考虑加固焊接对原有结构的影响，合理选择加固方案和焊接工艺。在施工阶段，应严格控制焊接质量，确保加固效果达到设计要求。

学习心得

这篇文献的研究成果对焊接技术人员具有直接的参考价值。火灾后结构的加固焊接是一个新兴的技术领域，其技术难度远高于常规焊接。外包钢加固的试验数据表明，外包钢厚度的增加对承载力和刚度的提升效果显著，这为加固焊接的焊材选择和焊道设计提供了依据。同时，受火时间对加固效果的影响规律提示我们，在加固设计前必须准确评估火灾损伤程度，避免过度加固或加固不足。