RPC外包方钢管混凝土柱轴压受力性能研究——文献学习体会

文献概况与技术背景

本文发表于《浙江工业大学学报》2024年第52卷第1期，由三明学院张仁巍、庄一舟、曾武华、李伟完成，研究受国家自然科学基金（51778147）和福建省自然科学基金等资助。研究以活性粉末混凝土（RPC）厚度与长细比为参数，对6根RPC外包方钢管混凝土柱开展轴压试验，并采用ABAQUS建立有限元模型进行参数分析，最终提出了承载力简化计算方法。

活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete，RPC）作为一种超高性能混凝土，其抗压强度可达150~250MPa，远高于普通混凝土，同时具有优异的抗渗性、抗腐蚀性和耐久性。将RPC外包于方钢管混凝土柱外部，形成"RPC-方钢管-核心混凝土"三层复合结构，是一种创新的结构设计思路，在钢管与混凝土的协同工作机制中引入了第三重约束效应。

试验参数与破坏模式分析

试验以RPC厚度和长细比为主要变量，对6根组合柱进行轴压加载试验。试验结果表明，外层RPC可为内部方钢管混凝土柱提供较强的约束力，在受力后期套箍效应尤为显著。

从钢管制造的角度来看，方钢管的制造质量直接决定了组合柱的基本性能。方钢管通常采用HFW（高频焊接）或ERW（电阻焊）工艺制造，其焊缝质量、四角圆角半径和壁厚均匀性是控制重点。根据ASME B16.9和GB/T 12459对焊接管件的要求，方钢管的焊缝应进行100%无损检测，焊缝余高和成形应符合标准规定。对于用于RPC外包的组合柱，方钢管的外表面质量要求更为严格，因为RPC与钢管之间的界面粘结是套箍效应发挥的前提。

关于套箍效应的机理，RPC外包后形成了对内部方钢管混凝土柱的三重约束：第一重为方钢管对核心混凝土的横向约束；第二重为RPC对外部方钢管的径向约束；第三重为RPC与钢管之间界面摩擦力的约束。这种多重约束机制使得组合柱在受力后期表现出显著的承载力提升，方钢管混凝土柱的发挥系数变化幅值在0.78~1.01之间。

有限元模型与参数分析

作者采用ABAQUS软件建立了RPC外包方钢管混凝土柱的有限元模型，分析了RPC强度、RPC厚度、钢管强度等级、含钢率、内部混凝土强度和长细比等参数对承载力的影响规律。有限元模型中，RPC和混凝土采用混凝土损伤塑性模型（Concrete Damage Plasticity），方钢管采用双线性各向同性硬化模型（Bilinear Isotropic Hardening），界面采用接触对（Contact Pair）模拟。

从焊接工艺的角度来看，RPC外包方钢管混凝土柱的现场施工涉及以下焊接相关工序：

1. 方钢管柱的现场对接焊接：方钢管柱通常分段运输至现场进行对接焊接，焊接方法可采用SMAW（手工电弧焊）或FCAW（药芯弧焊），焊接工艺参数应根据钢管壁厚和材质通过焊接工艺评定（WPS/PQR）确定。
2. 钢管与内部混凝土的界面处理：方钢管内壁应进行除锈处理，达到Sa2.5级清洁度，必要时涂覆界面增强剂以提高钢管与混凝土的粘结力。
3. RPC外包层的施工：RPC通常采用喷射混凝土工艺（Shotcrete）或泵送浇筑，喷射时需注意控制回弹率和坍落度，确保RPC与钢管外壁的密实贴合。

关键问题与工程实践建议

从工程实践角度，RPC外包方钢管混凝土柱的推广应用面临以下技术挑战：

第一，RPC材料成本较高。RPC的原材料包括硅灰、石英砂、钢纤维和高效减水剂等，其成本是普通C50混凝土的3~5倍。在实际工程中，需要根据结构重要性合理选择RPC厚度和强度等级，避免过度设计。

第二，RPC与钢管界面的长期耐久性。RPC虽然抗渗性优异，但在长期服役过程中，界面可能因温度循环、碳化等因素产生微裂纹，影响套箍效应的持续发挥。建议在RPC中掺入适量膨胀剂，补偿收缩，减少界面开裂风险。

第三，有限元模型的精度验证。本文的有限元模型虽经试验验证，但在实际工程中，RPC与钢管之间的接触参数（法向刚度和切向摩擦系数）的确定仍依赖经验值，建议通过专门的界面剪切试验获取更精确的参数。

第四，承载力计算方法的工程适用性。本文提出的简化计算方法借鉴了钢管混凝土结构技术规范，但RPC外包柱属于新型组合构件，其设计参数和构造要求尚需通过更多试验和工程实践来完善。

总体而言，本文在RPC外包方钢管混凝土柱的力学性能研究和承载力计算方法方面取得了有价值的成果，为高性能混凝土与钢管组合结构的发展提供了新的技术方向。对于从事钢管制造和焊接工艺的技术人员而言，理解RPC外包柱的材料特性和界面要求，将有助于在材料选择和施工质量控制方面做出更合理的决策。