方中空夹层钢管混凝土构件压扭性能试验研究学习体会

文献概况与研究价值

本文发表于《建筑钢结构进展》2021年第23卷第11期，由辽宁科技大学廖栩等人完成。中空夹层钢管混凝土（CFST）作为一种新型组合结构形式，在外钢管与内钢管之间填充混凝土，形成了独特的双层约束体系。与传统单层钢管混凝土相比，中空夹层结构在保证承载力的同时可有效减轻自重，在高层建筑核心筒、大跨桥梁墩柱等工程领域具有广阔的应用前景。本文通过12根试件的压扭静力试验与有限元分析，系统揭示了该构件在压扭共同作用下的力学行为特征，填补了该领域研究的空白。

压扭共同作用下的破坏模式分析

试验结果表明，压扭共同作用对方中空夹层钢管混凝土构件的破坏模式产生了根本性改变。在纯扭工况下，构件呈现典型的剪切破坏特征，沿45度方向产生斜向裂缝并扩展至贯通。然而，当轴压比达到0.6时，构件的破坏模式转变为以弯曲为主的复合破坏，外钢管在轴向压力与扭矩的耦合作用下发生局部屈曲，核心混凝土在约束失效后迅速压碎，承载力急剧下降。

这一发现具有重要的工程警示意义。在实际工程设计中，若仅依据纯扭承载力进行抗扭设计，而忽略了轴向压力对方中空夹层钢管混凝土构件抗扭性能的不利影响，可能导致结构在极端荷载工况下发生脆性破坏。建议在设计阶段引入压扭耦合折减系数，并将轴压比限值控制在0.5以下以确保足够的延性储备。

材料强度与长细比的影响机制

有限元分析揭示了材料强度与长细比对构件承载力的差异化影响。外钢管屈服强度对方中空夹层钢管混凝土构件的抗扭承载力影响显著，这是因为外钢管在扭矩作用下承担主要的剪切应力，其强度直接决定了构件的极限抗扭能力。相比之下，混凝土强度对承载力的影响较小，这可能与中空夹层结构中混凝土主要承担轴向压力而扭矩主要由钢管承担的力学分配机制有关。

长细比对抗扭刚度的影响远大于对承载力的影响。长细比增大导致构件整体弯曲刚度降低，在扭矩作用下产生更大的翘曲变形，从而表现为抗扭刚度的显著下降。然而，由于承载力主要受局部屈曲控制而非整体稳定性控制，长细比对承载力的影响并不明显。这一结论为长细比限值的设计提供了理论依据——在抗扭设计中，长细比控制的主要目标是保证足够的抗扭刚度以满足正常使用极限状态要求，而非承载力安全。

焊接工艺与钢管制造要点

从钢管制造与焊接工艺的角度，中空夹层钢管混凝土构件的制造面临若干特殊挑战。内外钢管之间的连接方式直接决定了双层约束体系的有效性。常见的连接方式包括焊接连接、螺栓连接和灌浆连接，其中焊接连接的刚度与强度最高，但焊接热影响区的冶金性能变化可能削弱钢管的力学性能。

对于内外钢管的焊接连接，建议采用以下工艺控制要点：第一，焊接方法宜选用CO₂气体保护焊（GMAW）或埋弧焊（SAW），确保焊缝熔透并控制热输入量在15至30 kJ/mm范围内；第二，焊接顺序应采用对称焊接或跳焊工艺，减少焊接变形与残余应力；第三，焊缝质量应达到GB/T 19421-2018标准中一级焊缝要求，采用超声波检测（UT）进行100%探伤；第四，焊接完成后宜进行焊后热处理（PWHT），消除焊接残余应力并改善热影响区组织性能。此外，中空夹层结构的混凝土浇筑质量同样关键，需确保混凝土在内外钢管间隙中充分密实，可采用薄壁振动棒或插入式振动器进行振捣，避免产生空洞与离析缺陷。