外包约束RC钢管混凝土墩脚震损修复后性能试验研究文献学习体会

文献概况与工程背景

王宣鼎等（2024）发表于《土木工程学报》的这篇论文，聚焦于外包约束钢筋混凝土（RC）钢管混凝土桥墩在地震后墩脚区域的震损修复问题。该研究来自重庆大学，联合林同棪国际工程咨询（中国）有限公司开展，体现了产学研结合的研究模式。对于长期从事钢管制造与焊接工艺的技术人员而言，这一课题具有极高的工程现实意义——桥梁结构的震后修复直接关系到生命线工程的恢复能力，而钢管混凝土墩柱的修复涉及钢管表面状态评估、植筋焊接质量、外包层钢筋与原有钢管的界面处理等关键技术环节。

核心问题与修复方案

文献揭示了一个典型的破坏模式：外包约束RC钢管混凝土桥墩在强震作用下，塑性铰往往不在预期的墩脚外包区形成，而是在墩脚外包区以上的CFST墩柱段形成。这一"塑性铰错位"现象直接威胁墩柱的整体安全，因为CFST墩柱段的钢管在反复弯矩作用下可能发生局部屈曲，导致混凝土约束失效，最终引发灾难性破坏。

针对这一问题，研究提出了一种"植筋并加高外包层"的加固方法。具体技术要点包括：

试验方案与关键发现

研究开展了4个加固修复后试件的拟静力性能试验，以受损前试件的滞回性能作为参考基准，从六个维度评估修复效果：破坏模式、滞回特征、水平承载力、耗能能力、刚度退化以及残余位移。

关键试验结论如下：

1. 修复有效性：加固方法有效加强了受损墩脚，减轻或避免了墩柱钢管的局部屈曲，成功将塑性铰从CFST墩柱段引导至墩脚外包区底部。
2. 承载力与延性：修复后试件在峰值水平承载力、极限变形能力、耗能效率与耗能能力等方面优于原试件。
3. 刚度损失：由于墩脚处初始损伤的存在，修复试件的抗侧刚度显著低于原试件。
4. 潜在隐患：受损锚固钢筋在低周往复加载下存在疲劳断裂风险。

焊接工艺视角的深度分析

从钢管焊接与制造的专业角度，这篇文献引发了以下几点重要思考：

钢管表面状态与植筋焊接质量

震后修复中，钢管表面往往存在不同程度的损伤——包括局部凹陷、焊缝开裂、涂层剥落等。植筋焊接前必须对钢管表面进行彻底清理，包括：

• 采用角磨机去除氧化皮、锈蚀物和残余混凝土附着物，露出金属光泽；
• 对钢管局部凹陷进行补焊修复，焊缝应达到与原钢管等强的质量要求；
• 焊接植筋时，焊脚尺寸应满足h≥0.3d（d为植筋直径），且焊接长度应满足规范规定的最小要求。

焊接残余应力对修复效果的影响

修复焊接不可避免地引入新的焊接残余应力。在墩脚区域，原有的地震损伤已经改变了应力分布状态，新增焊接残余应力可能与残余地震应力叠加，形成不利的应力集中。建议采取以下措施：

• 采用小电流、多层多道焊工艺，控制层间温度在150～250℃；
• 焊后进行局部消应力热处理，温度控制在600～650℃，保温时间根据壁厚确定；
• 对修复焊缝进行100%超声波检测（UT）和磁粉检测（MT），确保无裂纹、未熔合等致命缺陷。

锚固钢筋疲劳断裂的焊接对策

文献指出的锚固钢筋疲劳断裂隐患，从焊接冶金角度分析，可能与以下因素有关：

• 植筋焊接热影响区（HAZ）的晶粒粗化，导致韧性下降；
• 焊缝金属与母材的微观组织不匹配，形成薄弱环节；
• 焊接残余拉应力在循环荷载下加速疲劳裂纹萌生与扩展。

对策建议：选用与母材匹配的焊材（如E5015或E5016），严格控制焊接热输入（q≤25 kJ/mm），必要时对焊接接头进行振动时效或超声冲击处理以引入表面压应力。

与工程实践的结合

在实际桥梁震后修复工程中，钢管混凝土墩柱的修复面临以下特殊挑战：

1. 钢管内部混凝土的评估困难：无法直接观察钢管内部混凝土的损伤状态，需要借助声发射（AE）或超声波透射法进行间接评估。
2. 外包层与钢管的界面处理：震后外包层可能已经与钢管脱粘，修复时需要重新建立可靠的界面连接。
3. 修复后结构的刚度恢复：由于初始损伤不可逆，修复后刚度难以完全恢复，需要在结构整体性能评估中予以考虑。

学习心得

这篇文献让我深刻体会到，钢管混凝土结构的震后修复不仅仅是"补强"那么简单，而是一个涉及损伤评估、修复方案设计、焊接工艺控制、修复效果验证的系统工程。作为焊接技术人员，我们不仅要关注焊缝本身的几何尺寸和内部质量，更要理解焊接工艺对结构整体抗震性能的影响。特别是锚固钢筋疲劳断裂这一隐患，提示我们在震后修复焊接中必须更加注重焊接工艺参数的优化和焊后处理，不能简单地套用常规焊接规范。未来的震后修复技术研究，应当将焊接残余应力控制、焊缝疲劳性能评估纳入标准化修复流程，确保修复后结构的长期安全性与可靠性。