考虑脱空缺陷影响的钢管混凝土压弯剪力学性能分析与实用设计方法文献学习体会

文献概况与研究背景

陈汉元等人发表于2022年《建筑钢结构进展》的这篇文章，针对钢管混凝土（Concrete-Filled Steel Tube, CFST）构件中普遍存在的环向脱空缺陷（void defect）问题，系统研究了脱空缺陷对钢管混凝土压弯剪（compression-bending-shear）复合受力性能的影响。钢管混凝土结构因其优异的承载力、抗震性能和施工效率，在高层钢结构、大跨桥梁和工业厂房中得到了广泛应用。然而，在实际施工过程中，由于混凝土浇筑不密实、钢管内壁润滑剂残留、混凝土泌水等原因，钢管与混凝土之间可能形成环向脱空缺陷，这种缺陷会显著削弱钢管与混凝土之间的协同工作性能，降低构件的承载力和延性。

该研究由福建农林大学交通与土木工程学院、数字福建智能交通技术物联网实验室和福建省高速公路集团有限公司联合完成，受国家自然科学基金（51878176）和福建省科技重大专项（2019HZ07011）资助。研究完成了12根带脱空缺陷的钢管混凝土试件在压弯剪复合作用下的滞回试验，建立了带脱空缺陷的有限元分析模型，并提出了考虑脱空缺陷影响的实用承载力计算公式。

脱空缺陷的成因与影响机理

脱空缺陷的形成机理

钢管混凝土构件中环向脱空缺陷的形成主要与以下施工因素有关。其一，混凝土浇筑方式不当：采用自由浇筑而非泵送或振捣时，混凝土在钢管底部堆积，上部形成空隙。其二，钢管内壁处理不当：钢管内壁残留的润滑剂或锈蚀层阻碍了混凝土与钢管的粘结。其三，混凝土配合比不合理：混凝土流动性不足或坍落度损失过快，导致浇筑不密实。其四，浇筑速度过快：混凝土在钢管内的流动速度超过其自密实能力，产生离析和空隙。

脱空缺陷对力学性能的影响

脱空缺陷对钢管混凝土构件力学性能的影响主要体现在以下方面。首先，钢管与混凝土之间的界面粘结力降低，导致两者不能充分发挥协同工作效应。钢管对混凝土的约束作用（confinement effect）是钢管混凝土承载力高于普通钢筋混凝土的关键机制，脱空缺陷削弱了这一约束效应。其次，脱空区域在受压时会产生局部屈曲，加速钢管壁的局部破坏。第三，在弯剪复合作用下，脱空区域的混凝土不能有效传递剪力，导致剪力集中和剪切破坏提前发生。

试验研究结果分析

试件设计与试验方法

研究共设计了12根带脱空缺陷的钢管混凝土试件，采用压弯剪复合作用下的滞回加载方式。试件参数包括：含钢率、钢材屈服强度、剪跨比、轴压比和混凝土强度等级。脱空缺陷通过在钢管内壁设置隔离层或控制浇筑工艺来人为制造，脱空位置和尺寸根据试验设计确定。

滞回加载采用低周反复加载制度，以模拟地震作用下结构的受力行为。加载过程中记录试件的荷载-位移曲线、应变分布和破坏过程，获取极限承载力、耗能能力和延性系数等关键性能指标。

破坏模态与滞回性能

试验结果表明，脱空缺陷对试件的破坏模态有显著影响。无脱空缺陷的试件通常表现为弯曲破坏，具有较好的延性和耗能能力；而带脱空缺陷的试件，当剪跨比较小时，容易出现剪切破坏，延性和耗能能力明显下降。脱空区域在受压过程中出现钢管壁局部鼓胀和混凝土压碎，脱空与实心区域的刚度差异导致应力重分布，加速了结构的破坏进程。

滞回曲线方面，带脱空缺陷试件的滞回曲线呈明显捏缩（pinching）特征，表明结构的刚度退化和强度退化更为严重。耗能能力（以滞回曲线包围面积衡量）随脱空缺陷的增大而降低。

参数影响规律

基于试验和有限元分析，研究系统分析了以下参数对带脱空缺陷钢管混凝土试件抗剪承载力的影响规律：

• 含钢率：含钢率增大，抗剪承载力提高，但脱空缺陷的削弱效应相对减弱。
• 钢材屈服强度：钢材屈服强度提高，抗剪承载力增大，脱空缺陷的影响程度相对降低。
• 剪跨比：剪跨比增大，破坏模态由剪切破坏向弯曲破坏转变，脱空缺陷的影响程度降低。
• 轴压比：轴压比增大，抗剪承载力先增后减，存在最优轴压比。
• 混凝土强度：混凝土强度提高，抗剪承载力增大，但脱空缺陷导致的约束效应损失更为显著。

实用设计方法

界限剪跨比的确定

文献提出了用于区分剪切破坏和弯曲破坏的界限剪跨比。这一界限值对于工程设计具有重要指导意义：当实际剪跨比大于界限值时，构件以弯曲破坏为主，设计按弯曲承载力控制；当实际剪跨比小于界限值时，构件以剪切破坏为主，设计按抗剪承载力控制。界限剪跨比的确定考虑了脱空缺陷的影响，相比无缺陷情况，界限剪跨比有所减小，意味着脱空缺陷使构件更容易发生剪切破坏。

承载力计算公式

文献回归了考虑脱空缺陷影响的钢管混凝土压弯剪承载力实用计算公式。该公式综合考虑了脱空缺陷参数（脱空高度、脱空位置等）和构件参数（含钢率、钢材强度、混凝土强度、剪跨比、轴压比等）的影响，形式简洁，便于工程应用。公式的回归基于试验数据和有限元分析结果，通过统计回归方法确定了各参数的影响系数。

工程实践中的质量控制措施

浇筑工艺控制

防止脱空缺陷的关键在于控制混凝土浇筑工艺。建议采取以下措施：采用泵送浇筑方式，保证混凝土连续、均匀地充满钢管；使用适当的振捣设备，确保混凝土密实；控制浇筑速度，避免混凝土在钢管内产生离析；在浇筑前清理钢管内壁，去除润滑剂和锈蚀层；采用自密实混凝土（Self-Compacting Concrete, SCC）以减少振捣需求。

脱空缺陷的检测与评估

对于已施工的钢管混凝土构件，脱空缺陷的检测是结构安全评估的重要环节。常用的检测方法包括：超声回弹综合法，通过检测混凝土的声波速度和回弹值判断混凝土密实度；超声透射法，通过在钢管两端布置超声收发器检测混凝土内部的脱空区域；敲击法，通过敲击钢管外壁听声音判断混凝土的密实程度。

钢管焊接质量与脱空缺陷的关联

从钢管制造和焊接的角度看，钢管的焊接质量与脱空缺陷之间存在间接关联。焊接接头的残余变形可能导致钢管内壁出现局部凸起或凹陷，这些几何不连续处容易成为混凝土浇筑不密实的起始点。因此，在钢管制造过程中，应严格控制焊接接头的几何尺寸和表面质量，减少内壁的不规则变形，为混凝土浇筑创造有利条件。

学习心得与启示

这篇文献的研究对于钢管混凝土结构的安全性和可靠性具有重要的工程意义。脱空缺陷是钢管混凝土施工中普遍存在的质量问题，其对结构力学性能的削弱效应不容忽视。文献通过系统的试验研究和有限元分析，揭示了脱空缺陷对压弯剪复合受力性能的影响规律，并提出了实用的设计计算方法，为相关规范的制定或修订提供了依据。

对于从事钢管制造和焊接的技术人员而言，这篇文献的启示主要体现在以下方面。首先，钢管的制造质量不仅影响钢管本身的力学性能，还通过影响混凝土浇筑质量间接影响钢管混凝土构件的整体性能。钢管内壁的平整度、焊接接头的几何精度和表面质量都是需要严格控制的质量指标。

其次，有限元分析在结构性能评估中发挥着越来越重要的作用。文献中建立的带脱空缺陷的有限元模型，能够模拟钢管与混凝土之间的界面行为，包括粘结滑移和脱空区域的行为。这种分析能力对于评估已施工构件的结构性能、制定加固方案具有重要价值。

最后，文献提出的界限剪跨比和承载力计算公式，为工程设计提供了实用的工具。这些公式虽然基于特定的试验条件和材料参数，但其基本形式和参数化方法可以推广到更广泛的工程应用中，为不同工况下的设计提供参考。

总体而言，这篇文献为钢管混凝土结构中脱空缺陷的影响评估和设计方法提供了系统的研究成果，其核心思想——通过试验和数值分析揭示缺陷影响规律，建立实用计算方法——对于提升钢管混凝土结构的安全性和可靠性具有重要的参考价值。