细观模拟揭示钢管混凝土柱纯扭破坏的尺寸效应与延性机制

文献概况与核心问题

本文由金浏、王仲实玉等学者发表于《应用基础与工程科学学报》2023年第3期，聚焦于钢管混凝土柱在纯扭荷载作用下的破坏机理与尺寸效应。在地震作用下，钢管混凝土柱常承受扭转或压-弯-剪-扭复合作用，扭矩的存在会显著加剧其破坏进程。该研究采用三维细观数值模拟方法，将混凝土视为由粗骨料、砂浆基质及界面过渡区组成的非均质材料，并引入钢管与混凝土之间的接触作用，构建了更为真实的细观数值模型。研究的核心问题是：不同结构尺寸、套箍系数及截面形状如何影响钢管混凝土柱的纯扭破坏行为，以及能否建立适用于全尺寸范围的名义抗扭强度公式。

关键技术要点解读

细观建模方法

传统宏观均质模型难以准确反映混凝土在扭转荷载下的开裂、损伤与失效过程。本文建立的细观模型将混凝土离散为毫米级的多相组分，能够捕捉裂缝萌生、扩展及贯穿的细观机制。钢管与混凝土界面的接触作用采用库仑摩擦模型，考虑了界面滑移与分离效应。这种建模思路对于理解钢管与混凝土之间的协同工作机制至关重要，尤其是在扭矩作用下，界面剪应力的传递直接决定了构件的整体抗扭性能。

破坏模式与延性特征

研究揭示了素混凝土柱与钢管混凝土柱在纯扭作用下截然不同的破坏形态。素混凝土柱表现为脆性破坏，裂缝一旦出现便迅速贯穿，承载力急剧下降。而钢管混凝土柱则表现出明显的延性破坏特征，钢管对核心混凝土提供了约束作用，延缓了裂缝的扩展，使得构件在达到峰值扭矩后仍能维持一定的承载力。这一发现对于抗震设计具有重要意义，因为延性破坏意味着结构在强震作用下具有更大的变形能力和耗能潜力。

尺寸效应规律

尺寸效应是混凝土类材料固有的力学特性。本文的模拟结果显示，钢管混凝土柱纯扭破坏存在显著的尺寸效应，即名义抗扭强度随构件尺寸增大而降低。值得注意的是，方柱的尺寸效应强于圆柱，这主要源于方钢管对混凝土的约束作用不均匀，角部区域约束强而中部管壁约束弱，导致尺寸效应更为突出。此外，套箍系数（表征钢管对混凝土约束程度的参数）对尺寸效应有显著影响：低套箍系数下，尺寸效应明显；随着套箍系数增加，名义抗扭强度的尺寸效应被削弱。这说明提高钢管壁厚或降低管径可有效减轻尺寸效应带来的不利影响。

名义抗扭强度公式修正

基于模拟结果，作者对比了Bažant尺寸效应律，并对其进行了修正，提出了适用于全尺寸范围的钢管混凝土柱名义抗扭强度公式。该公式将套箍系数、截面形状因子及结构尺寸作为关键变量，为工程设计提供了实用的计算工具。修正后的公式能够较好地预测不同尺寸构件的抗扭强度，误差控制在工程可接受范围内。

与工程实践的结合与思考

对钢管制造与管件选型的启示

从钢管制造的角度，该研究为钢管壁厚与直径的合理匹配提供了理论依据。对于承受扭转载荷的钢管混凝土柱，不宜采用过大的宽厚比，否则套箍系数偏低，尺寸效应显著，构件延性不足。在工程实践中，建议将套箍系数控制在0.8以上，以有效抑制尺寸效应。对于方钢管，应特别关注管壁的局部屈曲问题，必要时可设置纵向加劲肋以增强约束效果。

对焊接工艺与质量控制的要求

钢管混凝土柱中钢管的环向对接焊缝和纵向焊缝是薄弱环节。在扭转作用下，焊缝区域承受复杂的剪应力，焊接缺陷（如未熔合、夹渣、咬边）极易成为裂纹源。因此，对于承受扭转的钢管混凝土柱，建议对钢管焊缝进行100%超声波检测（UT）或射线检测（RT），并严格控制焊接热输入，避免因热影响区软化而降低界面剪应力传递能力。此外，钢管内壁应进行除锈处理，以确保与混凝土的可靠粘结。

设计建议与工程案例

结合文献中的结论，建议在钢管混凝土柱的抗震设计中，优先采用圆形截面，因为其尺寸效应弱于方形截面，且约束效果更均匀。对于必须采用方形截面的情况，应适当增加钢管壁厚或设置加劲肋。例如，某高层建筑底层柱采用Φ800×16mm圆钢管混凝土柱，套箍系数为1.2，在模拟地震作用下的纯扭试验中，构件表现出良好的延性，峰值扭矩后承载力下降缓慢，验证了高套箍系数对尺寸效应的抑制作用。

关键疑问与进一步思考

该研究主要基于细观数值模拟，缺乏系统的试验验证。虽然作者修正了名义抗扭强度公式，但模拟中采用的材料参数和边界条件与真实工程仍存在差异。例如，混凝土的收缩、徐变以及长期荷载效应未纳入考虑。此外，研究未涉及钢管与混凝土界面的粘结退化问题，在反复扭转作用下，界面滑移可能逐渐累积，导致构件刚度退化。未来研究应结合足尺试验，并引入损伤累积模型，以更全面地评估钢管混凝土柱在复杂荷载下的长期性能。

学习心得与启示

本文通过细观数值模拟，系统揭示了钢管混凝土柱纯扭破坏的尺寸效应规律和延性机制，为工程设计和钢管制造提供了有价值的理论支撑。作为一名长期从事钢管和焊接的技术人员，我深刻体会到结构设计与材料工艺之间的紧密联系。钢管的壁厚、直径、截面形状不仅影响制造工艺，更直接决定了结构的力学性能。在实际项目中，应充分理解结构受力特点，将钢管制造的质量控制措施与结构设计需求相结合，才能确保工程的安全性与经济性。