椭圆钢管混凝土压弯扭复合受力性能文献学习体会

文献概况与研究价值

本文由合肥工业大学土木与水利工程学院王静峰等作者完成，发表于2022年《建筑钢结构进展》第24卷第9期。椭圆钢管混凝土（Oval Concrete Filled Steel Tube, Oval-CFST）作为一种非圆形截面的钢管混凝土构件，在空间结构、异形柱和特殊节点中具有独特的应用优势。然而，椭圆截面在压弯扭复合受力状态下的力学性能研究相对匮乏，这限制了其在复杂受力工况下的工程应用。本文通过有限元分析和参数研究，系统揭示了椭圆钢管混凝土构件在压弯扭复合受力下的力学行为，并提出了承载力简化计算公式。

有限元模型与等效本构

本文基于椭圆钢管核心混凝土等效本构模型，利用ABAQUS有限元软件建立了压弯扭复合受力作用下的有限元分析模型。等效本构模型的核心思想是将椭圆截面核心混凝土的复杂应力状态等效为圆截面混凝土的简化应力状态，从而利用成熟的圆钢管混凝土本构模型进行分析。

从钢管制造工艺角度看，椭圆钢管的制造难度明显高于圆形钢管。常见的椭圆钢管制造工艺包括冷弯成型（Cold Bending）、热轧成型（Hot Rolling）和焊接成型（Welded Forming）。冷弯成型工艺中，钢管的椭圆度偏差和壁厚不均匀性是主要质量风险，特别是在弯曲变形区域，材料加工硬化导致壁厚减薄，影响约束效应。焊接成型工艺中，焊缝的直线度和熔合质量直接影响椭圆截面的几何精度。

参数分析结果

本文系统分析了约束效应系数、轴压比、弯矩比和扭矩比等关键参数对构件受力性能的影响规律。

轴压比对抗扭强度的影响

研究结果表明，在一定范围内初始轴压比的提升会使构件的抗扭强度与纯扭构件相比有所提升，但当初始轴压比过大时，抗扭强度会显著降低。这一现象的物理机制在于：适度的轴向压力增强了钢管对核心混凝土的约束效应，提高了混凝土的抗剪和抗扭能力；但过大的轴向压力使混凝土处于高应力状态，在扭矩作用下微裂纹加速扩展，导致约束效应衰减。

弯矩比对抗扭强度的影响

构件初始弯矩比的增加会使其抗扭强度持续降低。这一结论在工程实践中具有重要意义——当构件同时承受弯矩和扭矩时，弯矩的存在会削弱构件的抗扭承载力。从钢管焊接角度分析，弯矩引起的截面应力不均匀分布会使焊缝区域的应力集中效应加剧，对焊缝质量提出更高要求。

轴力与弯矩共同作用下的扭矩效应

在轴力与弯矩的同时作用下，各自对抗扭强度的影响依然存在。轴力的提升效应和弯矩的削弱效应在不同轴压比区间呈现不同的主导关系，这为复杂受力工况下的构件设计提供了参数依据。

承载力计算公式的适用性

本文提出的承载力简化计算公式的理论计算值与有限元分析结果对比良好，可用于评估椭圆钢管混凝土构件在压弯扭复合受力下的极限承载力。从工程应用角度，该公式的适用性取决于以下因素：

• 椭圆钢管的几何参数（长轴与短轴之比、壁厚与短轴之比）应在试验验证的范围内；
• 核心混凝土强度等级和钢管钢材强度等级应与验证数据匹配；
• 构件的长细比和边界条件应符合公式推导的假设。

对于超出验证范围的参数组合，建议通过有限元分析或试验进行补充验证。

工程实践中的焊接与制造关注点

椭圆钢管混凝土构件的制造和焊接是确保其力学性能的关键环节。椭圆截面的相贯节点焊接（如椭圆钢管与圆形钢管的连接）属于空间相贯焊接，焊接工艺难度较大。建议采用以下焊接策略：

• 坡口形式：根据壁厚和空间位置选择V型或X型坡口，必要时采用双面对接焊；
• 焊接方法：优先选用埋弧焊（SAW）或药芯弧焊（FCAW），对于空间受限部位可采用熔化极气体保护焊（GMAW）；
• 焊接顺序：采用对称焊接顺序，减小焊接变形；
• 焊接后处理：必要时进行焊后热处理（Post Weld Heat Treatment, PWHT），消除残余应力。

总体而言，本文为椭圆钢管混凝土构件在压弯扭复合受力状态下的设计提供了科学的理论依据和实用的计算方法。椭圆钢管混凝土作为一种具有特殊截面优势的构件形式，其在异形结构和复杂节点中的应用前景广阔，但需要在钢管制造精度、焊接质量控制和长期性能研究方面进一步积累工程经验。