方钢管再生混凝土柱恢复力模型试验与分析文献学习体会

文献概况与研究价值

该文献由河南理工大学张向冈与广西大学陈宗平、薛建阳、苏益声于2016年发表于《防灾减灾工程学报》，课题获河南省科技攻关项目、安全生产重大事故防治关键技术科技项目等多项资助。研究以再生粗骨料取代率和轴压比为变化参数，设计并制作了 6 个试件进行拟静力试验，观察试件破坏形态，实测滞回曲线，建立了以相对屈服点、相对峰值点和相对破坏点为特征点的三折线荷载-位移恢复力模型。该研究对于再生混凝土组合结构在地震作用下的弹塑性反应分析具有重要的参考价值。

方钢管在再生混凝土柱中的结构作用

从钢管制造与焊接工程的角度分析，方钢管再生混凝土柱中方钢管的质量控制对构件的抗震性能具有决定性影响。方钢管通常采用冷弯焊接方钢管，其焊接质量直接影响钢管对再生混凝土的约束效应。

方钢管的四个角部在约束再生混凝土时形成应力集中区域，角部的焊接接头质量尤为关键。冷弯方钢管的角部在成型过程中经历了较大的塑性变形，该区域的晶粒结构发生变化，焊接性能可能受到影响。再生混凝土的强度离散性较大，钢管的约束效应在一定程度上可以弥补再生混凝土强度不足的缺陷，但前提是钢管本身的焊接质量可靠。

试件破坏形态与钢管焊接质量的关联

文献指出试件破坏形态与普通钢管混凝土柱相似，方钢管底部鼓曲破坏，再生混凝土底部被压碎。从钢管焊接质量的角度分析，破坏形态的相似性并不意味着焊接质量不影响破坏模式：

• 方钢管底部鼓曲破坏时，焊缝区域承受较大的环向拉应力，若焊缝存在未熔合或层间裂纹，则鼓曲可能从焊缝处开始。
• 再生混凝土被压碎时，碎块可能对钢管内壁产生冲击，焊接接头在反复冲击下可能出现疲劳损伤。
• 方钢管的角部焊缝在柱体侧向变形过程中承受复杂的弯扭复合应力，是疲劳损伤的高风险区域。
• 再生混凝土的骨料硬度可能高于普通混凝土（取决于再生骨料的来源），对钢管内壁的磨损效应需关注。

三折线恢复力模型的建立与验证

文献采用定点指向、位移幅值承载力突降、模型软化点等特殊处理方法，建立了三折线荷载-位移恢复力模型，并以相对屈服点、相对峰值点和相对破坏点为特征点。该模型与实测滞回曲线吻合较好，建议用于该类新型组合结构的弹塑性地震反应分析。

从钢管焊接工程的角度分析，恢复力模型的准确性取决于以下钢管相关参数的精确确定：

• 相对屈服点对应钢管开始屈服的时刻，钢管材质的屈服强度离散性会影响该点的确定。
• 相对峰值点对应钢管与再生混凝土共同工作达到最大承载力的时刻，焊缝的缺陷可能降低峰值荷载。
• 相对破坏点对应钢管鼓曲或焊缝开裂的时刻，焊缝质量直接影响破坏荷载的大小。
• 滞回曲线的饱满程度反映了构件的耗能能力，焊缝的疲劳损伤会降低滞回曲线的饱满度。

再生骨料取代率对钢管约束效应的影响

再生骨料取代率是影响再生混凝土性能的关键参数，取代率越高，混凝土强度越低，弹性模量越小，对钢管约束效应的需求也越大。从钢管制造与焊接的角度分析：

• 高取代率再生混凝土强度低、脆性大，在压弯变形过程中更容易发生劈裂，钢管的约束效应更加重要。
• 再生混凝土的骨料粒径和形状不规则，可能导致钢管内壁混凝土填充不均匀，局部约束应力分布不均。
• 再生混凝土的收缩率高于普通混凝土，收缩可能导致钢管与混凝土之间产生脱空，削弱约束效应。
• 建议在高取代率再生混凝土柱中适当增加钢管壁厚，以补偿混凝土强度降低带来的约束效应不足。

学习心得与工程应用建议

本文通过拟静力试验建立了方钢管再生混凝土柱的三折线恢复力模型，研究结论对再生混凝土组合结构的抗震设计具有参考价值。从钢管焊接制造的角度反思，方钢管再生混凝土柱的抗震性能不仅取决于再生混凝土的力学性能，更与方钢管的焊接质量密切相关。在实际工程中，建议对方钢管的焊缝进行严格的无损检测，特别是角部焊缝和直缝焊缝，确保无未熔合、层间裂纹等面积型缺陷。同时，建议在恢复力模型中引入钢管焊接质量参数，将焊缝缺陷的影响纳入模型修正系数，使模型更加贴近实际工程情况。此外，再生混凝土的长期性能（碳化、氯离子侵蚀等）对钢管约束效应的影响值得后续研究深入探讨，特别是焊接接头在腐蚀环境下的疲劳性能，是再生混凝土组合结构长期安全的关键问题。