内置高强芯柱方钢管混凝土柱梁端板螺栓连接节点抗震性能文献学习体会

文献概况

本文发表于2023年《土木与环境工程学报（中英文）》第45卷第6期，由西安建筑科技大学陶毅、张耀予、王丹、史庆轩合作完成，系国家自然科学基金和陕西省教育厅协同创新中心项目资助。研究针对内置FRP约束UHPC高强芯柱的方钢管混凝土柱与钢梁端板-螺栓连接节点的抗震性能，通过拟静力试验系统考察了柱轴压比、FRP管厚度及芯柱有无对节点抗震性能的影响。该研究对于提升钢管混凝土结构在地震作用下的安全性与延性具有重要指导意义。

核心观点与技术要点

节点构造与试验设计

研究基于"强柱弱梁"的抗震设计原则，设计制作了5个端板-螺栓连接节点试件。试件采用方钢管混凝土柱与钢梁通过端板-螺栓连接，柱内内置FRP约束UHPC高强芯柱。试验通过拟静力加载方式，模拟地震作用下的往复荷载，考察节点的破坏模式、承载力、刚度和延性。

从钢管制造的角度，方钢管混凝土柱的钢管规格、壁厚和材质直接影响节点的抗震性能。钢管的几何尺寸（边长、壁厚）决定了钢管对混凝土的约束效果，进而影响柱的承载力和延性。对于抗震设防烈度较高的地区，建议选用高延性钢材（如Q345GJ或Q390GJ）制造钢管，以确保钢管在地震往复荷载下不发生局部屈曲。

试验结果分析

试验结果表明，所有试件均在梁端形成塑性铰破坏，符合"强柱弱梁"的设计目标。这一破坏模式表明，节点域的承载力高于梁端的承载力，地震能量在梁端塑性铰处耗散，避免了节点域的脆性破坏。

内置高强芯柱使试件承载力显著提高，但延性有所降低。这一现象可以从力学机理上解释：高强芯柱（FRP约束UHPC）具有较高的抗压强度，提高了柱的整体承载力，但UHPC的脆性特征使得芯柱在较大变形下容易发生脆性破坏，限制了节点的整体延性。

变形机制分析

变形分析结果表明，节点域组合柱以受弯变形为主，两侧钢梁主要承担节点域的剪切变形。依据初始刚度判定，该节点属于刚性节点。这一结论对于节点设计具有重要意义：刚性节点意味着梁柱之间不发生相对转动，地震作用下的变形主要通过梁端的弯曲变形来吸收。

从焊接工艺的角度，端板-螺栓连接中的端板焊接质量直接影响节点的抗震性能。端板与钢梁的角焊缝在反复荷载作用下承受复杂的应力状态，容易产生疲劳裂纹。建议采用全熔透坡口焊缝替代角焊缝，并采用低氢焊条（如E5015或E4915）进行焊接，以提高焊缝的韧性和抗裂性。

与钢管制造及焊接工艺的结合

钢管制造质量控制

方钢管混凝土柱中钢管的制造质量直接影响节点的抗震性能。钢管的几何精度（边长偏差、壁厚偏差、对角线偏差）和表面质量（锈蚀、划伤、焊缝缺陷）是影响钢管与混凝土之间粘结性能的重要因素。

焊接工艺要求

端板-螺栓连接中，端板与钢梁的焊接是关键的连接工序。焊接工艺的选择和焊接质量的控制直接影响节点的抗震性能。

• 焊接方法：推荐采用手工电弧焊（SMAW）或气体保护焊（GMAW），焊接电流和电压应根据板厚和焊接位置进行调整。
• 焊接材料：采用与母材匹配的低氢焊条，确保焊缝金属的强度和韧性不低于母材。
• 焊接顺序：采用对称焊接顺序，减少焊接变形，确保端板的平面度。
• 无损检测：对焊缝进行100%超声波检测（UT），检测等级不低于GB/T 11345中的B级，确保无未熔合、裂纹等致命缺陷。

高强芯柱的制造与焊接

内置FRP约束UHPC高强芯柱的制造工艺涉及UHPC的制备、FRP管的成型以及两者的复合。UHPC（超高性能混凝土）的浇筑和振捣工艺要求较高，需采用真空振动或压力振捣方式，确保UHPC在FRP管内密实填充。

关键疑问与工程实践思考

1. 芯柱与钢管之间的界面处理：高强芯柱与钢管之间的界面粘结强度对整体受力性能有重要影响。建议在芯柱表面进行粗糙化处理或设置键槽，以提高界面粘结强度。
2. FRP管的高温性能：FRP管在高温下可能发生分层、剥离等破坏，导致对UHPC的约束作用丧失。建议对FRP管进行高温性能试验，评估其在火灾工况下的可靠性。
3. 螺栓的疲劳性能：端板-螺栓连接中的螺栓在反复荷载作用下承受交变应力，存在疲劳破坏的风险。建议采用高强度螺栓（如10.9级），并进行疲劳寿命评估。

学习心得与启示

本文献的研究成果为钢管混凝土结构的抗震设计提供了重要的试验数据和分析方法。作为钢管与焊接技术领域的从业者，我认识到：节点的抗震性能不仅取决于材料强度和截面尺寸，更取决于构造细节和连接工艺。

从焊接质量控制的角度，建议在实际工程中建立焊接工艺评定数据库，针对不同钢材牌号、板厚范围和焊接位置，确定最优焊接参数组合。同时，应加强焊接人员的技能培训和考核，确保焊接质量的一致性和可靠性。