复式不锈钢管高强再生块体混凝土短柱轴压试验学习体会

文献概况与研究动机

本文发表于《工程科学与技术》2022年第54卷第3期，作者王卫华、陈子健等来自华侨大学土木工程学院，研究受国家自然科学基金项目资助。复式不锈钢管混凝土（CFST）截面是在方不锈钢管内部配置圆碳素钢管的复合截面形式，其设计初衷是改善方不锈钢管对核心混凝土约束效应低、变形能力差的固有缺陷，同时不锈钢管具有优异的耐腐蚀性和抗火性能，可减少普通钢结构的防腐和防火施工工序。本研究进一步在混凝土中掺入再生块体（再生骨料块体），考察其对轴压性能的影响，体现了绿色建材与高性能结构融合的研究趋势。

试验参数与变量设计

研究开展了16根复式不锈钢管高强再生块体混凝土短柱的轴压试验，系统考察了三个关键变量：

约束效应系数是衡量钢管对核心混凝土侧向约束能力的重要参数，其大小取决于钢管截面尺寸、壁厚、材料强度以及钢管与混凝土之间的界面摩擦系数。复式截面中，圆碳素钢管的存在显著提高了约束效应系数，这是其相对于单一方钢管截面的核心优势。

核心试验结果与力学行为分析

试验结果表明，轴压承载力随再生块体取代率的增加而降低，但降低幅度有限：当取代率为20%时，承载力最大降低幅度仅为6.8%。这一数据表明，复式不锈钢管截面的高约束效应有效弥补了再生骨料引入的强度损失。破坏过程及破坏形态与普通复式不锈钢管混凝土短柱相似，说明再生块体的掺入未改变构件的破坏模式。

内部圆钢管混凝土的破坏呈现两种典型类型：腰鼓型破坏和剪切型破坏。腰鼓型破坏表现为圆钢管中部向外鼓出，混凝土呈压碎状态，这是短柱在轴向压力作用下的典型破坏模式；剪切型破坏则表现为沿对角线方向的剪切滑移，通常发生在长细比较大的情况下。

一个特别值得关注的发现是：所有试件的剩余承载力均达到峰值荷载的63%以上。超过峰值荷载后，荷载-位移曲线经过短暂下降后基本维持水平或略有上升。这一优异的剩余承载力特征，对于抗震设计中的延性要求具有重要意义，表明复式不锈钢管再生块体混凝土柱在极端荷载下仍具有足够的承载储备。

约束效应简化方法与承载力计算

研究提出了复式不锈钢管混凝土截面中钢管截面对核心混凝土约束效应的简化方法，并采用4种承载力计算方法进行对比验证。结果表明，考虑圆形截面部分的承载力乘以折减系数的假定具有较好的适用性，计算结果与试验结果吻合较好。

从焊接工程角度分析，复式截面中圆碳素钢管与方不锈钢管之间的连接焊缝是关键薄弱环节。圆管与方管之间的T形焊缝或角焊缝，其焊接质量直接影响约束效应的传递效率。建议采用全熔透焊（如GTAW打底加SMAW填充盖面）工艺，确保焊缝根部完全熔合，避免未熔合缺陷削弱约束传力路径。

从钢管焊接与制造角度的技术思考

复式不锈钢管截面的制造涉及多种焊接工艺。方不锈钢管的成型焊接（通常为TIG焊或激光焊）需要严格控制热输入，以避免不锈钢焊接热裂纹和晶间腐蚀敏感区的形成。圆碳素钢管与方不锈钢管的异种金属焊接则面临更大的技术挑战：不锈钢与碳钢的热膨胀系数差异会导致较大的焊接残余应力，焊缝金属的稀释率控制不当可能导致脆性相析出。

从FMEA（失效模式与影响分析）的角度评估，复式截面焊接的主要失效模式包括：焊缝热裂纹、冷裂纹、未熔合、气孔以及焊接变形。对应的预防对策包括：不锈钢焊接采用低热输入脉冲焊、碳钢侧采用预热控制层间温度、异种金属焊缝采用过渡层焊材（如309L不锈钢焊丝）等。

学习心得与工程启示

本研究为复式不锈钢管混凝土柱在绿色建材方向的应用提供了可靠的试验数据。再生块体取代率控制在20%以内时，承载力损失可忽略不计，而剩余承载力的优异表现（超过峰值荷载的63%）为抗震设计提供了充足的延性储备。在工程实践中，建议重点关注以下方面：一是异种金属焊接的工艺评定与焊工资质管理；二是圆管与方管连接焊缝的无损检测覆盖率应达到100%；三是再生块体的粒径控制与级配优化，避免过大粒径导致混凝土浇筑密实度不足。这些措施共同保障了复式不锈钢管再生块体混凝土柱在复杂服役环境下的长期安全性。