钢管再生混凝土柱偏心受压性能研究学习体会

文献概况与研究背景

本文发表于《混凝土》2020年第11期，由东北林业大学贾立夫、合肥工业大学罗穗兵、哈尔滨工业大学杜金辉三位学者完成，受国家自然科学基金重大研究计划项目（90915003）和中央高校基本科研业务费创新团队与重大项目培育资金项目（2572016EBC1）资助。研究对7组钢管再生混凝土柱进行了单偏压试验，系统研究了再生骨料取代率、长细比和钢管壁厚对柱破坏形态、承载力、荷载—位移曲线和荷载—侧向挠度曲线的影响。

再生骨料混凝土（RAC）是将废弃混凝土破碎后作为骨料替代天然骨料使用，是建筑固废资源化利用的重要途径。钢管再生混凝土柱（SRC-RAC）将钢管的约束效应与再生骨料的循环利用相结合，既解决了建筑垃圾处置问题，又提高了结构性能，具有重要的工程应用价值和环保意义。

试验方案与关键参数

研究设置了7组钢管再生混凝土柱试件，通过改变再生骨料取代率、长细比和钢管壁厚三个变量，考察其对单偏压性能的影响。这种试验设计遵循了控制变量法的原则，能够较为清晰地揭示各因素的独立影响规律。

破坏形态与力学行为分析

试验结果表明，不同取代率、长细比和壁厚条件下的钢管再生混凝土柱在加载过程中都会依次出现轻微鼓胀、鼓曲变形、严重变形和整体破坏的过程。这一破坏过程的阶段性特征与钢管混凝土柱的一般规律一致，体现了钢管约束下混凝土的渐进破坏机制。

破坏特征可分为两类：第一类是试件上端距顶部120~220 mm位置处受压屈曲并发生弯曲直至整体破坏，这类破坏通常发生在长细比较大或壁厚较薄的试件中；第二类是中部弯曲失稳直至整体弯曲破坏，这类破坏通常发生在长细比较小或壁厚较厚的试件中。

从钢管制造与焊接的角度来看，试件端部的受压屈曲破坏提示我们在实际工程中应关注钢管端部的约束条件。钢管端部的焊接连接（如与柱脚或柱顶的连接节点）是应力集中的区域，如果焊接质量不佳或连接刚度不足，可能导致端部提前屈曲。因此，建议对钢管端部的焊接接头进行严格的无损检测，并适当加强端部区域的结构刚度。

承载力与刚度影响规律

取代率对单偏压试件承载力的影响要明显小于长细比和壁厚。这一发现具有重要的工程指导意义：在钢管再生混凝土柱设计中，应优先通过优化长细比和壁厚来控制承载力，而再生骨料取代率可以在满足承载力要求的前提下适当提高，以最大化建筑固废的利用量。

具体而言，在其他设计参数不变条件下，钢管再生混凝土柱的承载力会随着再生骨料取代率减小而增大、随着长细比增大而减小、随着壁厚增大而提高。侧向刚度方面，再生骨料取代率的增加会造成侧向刚度减小、侧向变形增大；长细比的增加会造成侧向刚度减小、侧向挠度明显增大；壁厚增加会造成侧向刚度略有增大、侧向挠度则明显增大。

值得注意的是，壁厚增加虽然提高了承载力和侧向刚度，但侧向挠度反而明显增大，这一看似矛盾的结果可能与壁厚增加导致的截面惯性矩变化有关，需要进一步结合有限元分析进行深入探讨。

与钢管制造工艺的关联

钢管再生混凝土柱中钢管的制造工艺直接影响结构的整体性能。钢管的壁厚均匀性是决定约束效果的关键因素之一。如果钢管壁厚存在偏差，会导致混凝土在壁厚较大处的约束力较强、壁厚较小处的约束力较弱，从而引起截面内应力分布不均匀。

从焊接质量角度，钢管的焊缝位置应尽量避开柱端约束区域和柱身中部弯矩较大区域。对于螺旋焊管，焊缝的螺旋升角和焊缝位置需要合理设计，以减少对柱身整体稳定性的不利影响。

此外，钢管的表面处理对钢管与再生混凝土之间的界面粘结性能有重要影响。再生混凝土的表面粗糙度可能与天然骨料混凝土不同，建议在钢管外表面进行适当的粗糙化处理（如喷砂或开槽），以提高界面粘结强度。

学习心得与工程应用建议

本文的研究为钢管再生混凝土柱在工程中的应用提供了重要的试验数据。作为从事钢管与焊接技术的人员，我认为在实际工程应用中还需关注以下几点：

第一，再生骨料的品质控制是基础。不同来源的再生骨料性能差异较大，建议在使用前进行系统的物理性能测试（如压碎值、吸水率、含泥量等），并根据测试结果调整配合比。

第二，钢管的选型应综合考虑承载力、稳定性和经济性。对于高层或大跨结构中的钢管再生混凝土柱，建议采用大壁厚、小长细比的钢管，以确保足够的承载力和稳定性。

第三，钢管与再生混凝土之间的界面性能需要通过试验验证。建议开展钢管与再生混凝土的抗剪粘结试验，获取界面粘结强度参数，为结构设计提供可靠的输入数据。

第四，长期耐久性方面，再生骨料混凝土的碳化速率和氯离子渗透速率可能高于天然骨料混凝土，钢管外表面应进行有效的防腐处理，如采用热浸镀锌或环氧涂层，以确保结构在全寿命周期内的安全性。

总体而言，钢管再生混凝土柱是建筑固废资源化与高性能结构技术结合的产物，具有广阔的应用前景。其性能优化需要从钢管制造、混凝土配合比、界面处理和结构设计等多个维度协同推进，以实现技术可行性和经济合理性的统一。