方钢管砖混再生骨料混凝土短柱轴压性能有限元分析的学习体会

文献概况与研究意义

本文由沈阳大学刘晓、申燊、侯东序、李迎春四位学者于2024年发表于《沈阳建筑大学学报（自然科学版）》第40卷第5期。研究聚焦于方钢管砖混再生骨料混凝土短柱的轴压力学性能，旨在推动建筑固废资源化利用。随着建筑拆除量的逐年增加，砖混建筑垃圾的处理成为城市可持续发展的关键问题。将砖混再生骨料应用于钢管混凝土构件，既实现了固废资源化，又保留了钢管混凝土的高承载力和良好延性，具有重要的工程应用前景。

有限元模型与验证

模型建立

研究采用 ABAQUS 有限元软件建立方钢管砖混再生骨料混凝土短柱的数值模型。混凝土本构模型采用考虑约束效应的三轴应力-应变关系，钢管采用弹塑性本构模型，考虑 Bauschinger 效应。方钢管的倒角处理是模型的关键细节，倒角率定义为倒角半径与钢管壁厚之比，倒角率的不同取值直接影响钢管对混凝土的约束效率和截面有效面积。

模型验证

有限元模型的准确性通过与试验结果对比进行验证。作者将模拟得到的荷载-位移曲线与试验实测曲线进行对比，结果表明两者吻合良好，验证了有限元模型的正确性和可靠性。模型验证过程中，重点关注了峰值荷载、峰值位移及荷载-位移曲线形态的一致性，误差控制在 5% 以内。

关键影响因素分析

砖混骨料取代率的影响

当砖混骨料取代率小于50%时，极限承载力的降低幅度在10%以内，说明适量使用再生骨料对构件承载力的影响是可接受的。当取代率超过50%后，承载力下降趋势加速，这与再生骨料的吸水率增大、界面过渡区弱化等因素有关。从工程应用角度，建议将砖混再生骨料取代率控制在50%以下，以确保结构安全性。

倒角率的影响

方钢管的倒角处理是一个值得深入探讨的工艺细节。当倒角率提高至0.16时，极限承载力有小幅度提升，这是因为倒角使钢管内壁在角部区域的约束更加均匀，减少了应力集中。然而，当倒角率过大时，截面面积削弱效应超过约束增强效应，导致承载力反而降低。这一发现对方钢管的加工工艺提出了明确要求：倒角率应控制在0.10-0.16的合理区间内。

钢管强度与厚度的影响

试件的极限承载力随钢管屈服强度和壁厚的增大而提高，这一规律符合钢管混凝土的基本力学原理。钢管屈服强度从235 MPa提升至400 MPa时，承载力提升幅度约为15%-20%；壁厚从3mm增至10mm时，承载力提升幅度约为20%-30%。从钢管制造的角度，这意味着在保证圆度和壁厚均匀性的前提下，选用高强度、大壁厚的钢管可以显著提高构件性能。

焊接工艺与质量控制思考

方钢管混凝土短柱的制造涉及钢管的焊接成型和钢管与混凝土的结合两个关键工序。对于方钢管的焊接成型，角焊缝的质量控制尤为重要。推荐采用 CO2 气体保护焊（GMAW）进行角焊缝焊接，焊接参数应根据板厚优化选择，确保焊缝熔深足够且无未熔合缺陷。焊后应进行外观检查和磁粉检测（MT），必要时进行超声检测（UT）。

从有限元分析的角度，焊接残余应力对构件的力学性能有不可忽视的影响。焊接残余应力可能导致局部屈服，影响约束效应的发挥。在有限元模型中，应考虑焊接残余应力的分布特征，将其作为初始应力场施加于模型中，以更准确地模拟实际构件的受力行为。

学习心得与启示

该文献将有限元分析技术应用于再生骨料钢管混凝土的研究，为建筑固废资源化利用提供了科学依据。从钢管制造与焊接工程的角度，笔者特别关注到倒角率对构件性能的影响——这一看似微小的加工工艺参数，实际上对钢管对混凝土的约束效率有着显著影响。这启示我们在钢管加工过程中，不应忽视倒角、坡口等细节工艺参数的优化，这些参数往往在质量控制中被低估，但对最终产品性能的影响不容忽视。砖混再生骨料的应用前景广阔，但在推广过程中仍需解决再生骨料性能波动大、界面过渡区弱化等问题，这需要材料科学、结构工程和制造工艺的多学科协同攻关。