风电混合塔筒中空夹层钢管混凝土转接结构轴压性能试验研究——文献学习体会

文献概况与选题背景

本文由重庆大学土木工程学院王宇航、周绪红等联合中国船舶重工集团海装风电股份有限公司完成，发表于2023年《建筑钢结构进展》第25卷第4期。研究聚焦风电机组预应力钢-混凝土混合结构塔筒中转接结构的受力性能，提出了中空夹层钢管混凝土转接结构这一创新形式，并通过4个试验试件与1个钢筋混凝土对比试件的轴压试验加以验证。该选题紧扣当前风电大型化趋势下塔筒结构轻量化、经济性的迫切需求，具有重要的工程应用价值。

中空夹层钢管混凝土结构的钢管制造与焊接考量

从钢管制造与焊接工艺的角度审视该结构，中空夹层钢管混凝土转接结构的核心在于内外两层钢板构成的夹层体系。这一构造对钢管的制造工艺提出了特殊要求。首先，内外钢板的厚度通常需要根据承载需求进行差异化设计，外层钢板承受外部环境与风荷载，内层钢板约束核心混凝土并提供结构刚度。在制造过程中，内外钢板的对接焊缝或环焊缝焊接质量至关重要，特别是当采用HFW高频焊管或SAW直缝埋弧焊管作为基材时，焊缝的熔合质量、热影响区组织均匀性以及残余应力分布将直接影响结构的整体承载性能。

文中提到隔板和栓钉的设置显著增强了钢与混凝土的连接效果，限制了内外钢板的局部屈曲。从焊接工程实践来看，栓钉（Shear Stud）的焊接质量是决定其剪力传递效率的关键。栓钉焊接后应进行弯曲试验检验，确保根部无裂纹。在实际工程中，大直径钢管的栓钉焊接常采用螺柱埋弧焊（Stud Arc Welding），焊接参数需根据栓钉直径和钢管壁厚进行工艺评定，避免因热输入过大导致钢管局部变形或母材热影响区脆化。

隔板与栓钉对结构性能的增强机理

试验结果表明，隔板和栓钉的设置有效限制了内外钢板的局部屈曲并延缓了混凝土压溃。从力学机理分析，隔板在夹层结构中起到分仓隔离和抗剪连接的双重作用。隔板焊接在内外钢板之间形成刚性支撑，将夹层空间划分为若干独立腔室，有效抑制了长跨距钢板在受压状态下的侧向鼓曲。这一设计思路与船舶工程中舱壁板的抗屈曲设计原理相通——通过设置横向构件缩短板格的自由边长度，从而提升板格的屈曲临界应力。

栓钉的作用则更为关键。文中特别指出，栓钉对于增强结构整体性更为有利，使结构延性增加更为显著。从焊接冶金角度理解，栓钉与钢板的熔合区域形成了高强度的冶金结合，在结构受力过程中能够有效传递钢与混凝土之间的剪力，防止两者发生相对滑移。栓钉在受拉时根部区域承受较大的应力集中，因此对栓钉焊接的根部质量要求极高。在实际制造中，建议采用以下工艺控制措施：

• 焊前清理：栓钉端面及钢管表面应去除氧化皮、油污，必要时进行喷砂处理至Sa2.5级。
• 焊接参数优化：螺柱埋弧焊的焊接电流应控制在推荐范围的60%~80%，避免熔池过大导致根部咬边。
• 焊后检验：100%进行磁粉检测（MT），对根部区域重点检查是否存在裂纹、未熔合等缺陷。

与工程实践的关联及质量管控建议

风电混合塔筒转接结构属于关键受力节点，其制造质量直接关系到风电机组的长期安全运行。从PDCA质量循环的角度，建议在制造过程中建立以下管控节点：

在P（计划）阶段，应针对中空夹层结构的特殊构造进行专项焊接工艺评定（WPS），特别是内外钢板夹层中的隔板焊接和栓钉焊接，需模拟实际构件的焊接顺序和热输入条件。在D（执行）阶段，焊接作业应严格按工艺卡执行，重点控制层间温度（建议控制在200~250°C之间，避免过高导致热影响区晶粒粗化）和焊接速度。在C（检查）阶段，除常规的RT/UT/MT检测外，建议对夹层内部焊缝增加TOFD或PAUT检测手段，以有效识别夹层空间内难以触及的焊缝缺陷。在A（改进）阶段，应建立焊接缺陷数据库，持续优化工艺参数。

学习心得与思考

本文的研究思路体现了结构创新与制造工艺的紧密结合。中空夹层钢管混凝土结构在提高承载能力和变形能力的同时，也带来了制造复杂度的显著提升。作为长期从事钢管与焊接技术工作的技术人员，我认为在实际工程中推广应用此类结构时，必须充分重视以下问题：一是夹层内部焊接质量的可检测性，传统NDT手段在封闭夹层空间中的适用性有限，需探索在线监测或无损检测新技术；二是栓钉焊接的批量一致性控制，大型风电塔筒转接结构可能需要数百根栓钉，焊接质量的离散性将影响整体结构的可靠度；三是制造成本与性能提升之间的经济性平衡，中空夹层结构的用钢量虽然增加，但其承载能力和延性的显著提升在风电大型化背景下具有显著的经济优势。

总体而言，该文献为风电混合塔筒转接结构的设计提供了可靠的试验数据和理论支撑，其提出的中空夹层钢管混凝土结构形式在材料利用效率和结构性能方面展现了明显优势。从焊接制造的角度，建议后续研究进一步关注夹层结构在疲劳荷载和低温环境下的焊接接头性能，以及栓钉焊接接头的长期耐久性评估，以确保结构在全寿命周期内的安全可靠性。