内配格构式钢骨钢管混凝土构件偏压性能试验研究学习体会

文献概况与研究背景

本文由国网甘肃省经济技术研究院陈庆胜和西安建筑科技大学土木工程学院李博凡等作者合作完成，发表于2022年《建筑结构》第52卷第13期，受国家自然科学基金项目（51678474）资助。研究对4组共8个不同内部构造形式的钢管混凝土试件进行了偏心受压试验，系统研究了内配纵向加劲肋和格构式钢骨对构件承载性能的影响，并提出了承载力计算公式。

钢管混凝土（CFST）结构因其高承载力、良好的延性和抗震性能，在超高层建筑、大跨桥梁和工业结构中广泛应用。然而，普通钢管混凝土柱在偏压工况下，偏压侧钢管容易发生局部鼓曲，导致承载力下降和破坏模式脆化。为改善这一缺陷，研究人员提出了内配加劲肋和钢骨等增强措施。本文研究的内配格构式钢骨方案，是在普通钢骨基础上进一步优化，通过格构式构造提高钢骨的整体性和协同工作能力。

试验方案与关键发现

试件设计

试验共设计4组8个试件，变量包括：是否配置纵向加劲肋、是否配置格构式钢骨、以及两者的组合效果。试件尺寸和混凝土强度等级按规范选取，保证试验结果的可比性和代表性。

破坏模式分析

各组试件的破坏模式均为整体弯曲，偏压侧钢管局部鼓曲。这一破坏模式与偏压工况下钢管受压侧的应力状态一致：偏压侧钢管承受较大的压缩应力和弯矩，当应力超过钢管的局部稳定极限时，发生局部鼓曲。内配纵向加劲肋通过约束钢管壁的局部变形，有效减缓了鼓曲的发生和发展。

从焊接质量控制角度，内配钢骨与钢管的连接焊缝是结构的关键薄弱环节。格构式钢骨的斜向支撑与钢管的连接焊缝承受复杂的拉压和剪切复合应力，焊缝质量直接影响钢骨与钢管的协同工作能力。建议采用全熔透坡口焊缝，焊缝质量等级不低于一级，并进行100%超声波检测。

承载力计算公式

本文基于试验结果和有限元分析，提出了内配格构式钢骨-钢管混凝土构件的偏压承载力计算公式。公式考虑了混凝土、钢管和钢骨三者的共同工作效应，以及偏心距对承载力的影响。计算结果与试验结果吻合较好，表明公式具有较高的精度和可靠性。

有限元分析与参数研究

数值模拟方法

利用有限元软件对内配格构式钢骨-钢管混凝土构件进行偏心受压数值模拟，建立了混凝土、钢管、钢骨和连接焊缝的精细化模型。混凝土采用塑性损伤模型，钢管和钢骨采用弹塑性本构，焊缝采用弹簧单元模拟。通过模拟分析了构件的受力机理和各部件的应力发展过程。

参数影响分析

有限元参数研究揭示了以下规律：

1. 混凝土强度提高，承载力增加，但延性略有下降。
2. 钢管强度提高，承载力增加，且对延性的影响较小。
3. 钢管径厚比增大，局部稳定性降低，承载力下降。
4. 钢骨强度提高，承载力增加，效果显著。
5. 钢骨尺寸增大，承载力增加，但存在边际效益递减效应。
6. 荷载偏心距增大，承载力显著下降，破坏模式由整体弯曲向局部鼓曲转变。

工程应用建议

从工程实践角度，内配格构式钢骨方案适用于以下场景：大跨度结构中的受压构件、高抗震设防要求地区的框架柱、以及需要提高延性和耗能能力的节点区域。在设计中应注意：

1. 格构式钢骨的节点设计应保证传力路径清晰，避免应力集中。
2. 钢骨与钢管之间的间隙应填充高强灌浆料，保证两者协同工作。
3. 钢骨的制作精度应符合相关标准，偏差控制在允许范围内。
4. 施工过程中应严格控制钢骨的安装位置和垂直度。

从FMEA角度分析，该方案的主要风险包括：钢骨与钢管连接焊缝开裂、灌浆料填充不密实、钢骨安装偏差导致偏心受压加剧等。建议在施工前制定详细的焊接工艺规程和安装方案，并在施工中进行全过程质量监控。

总体而言，本文为内配格构式钢骨-钢管混凝土构件的设计提供了可靠的试验数据和计算方法，承载力提升14.33%的结果具有重要的工程价值。该方案有望在超高层建筑和大型基础设施中得到推广应用，为钢管混凝土结构的性能提升开辟新的技术路径。