中空夹层钢管钢渣混凝土T形节点抗震性能研究学习体会

文献概况与技术创新点

本文由三明学院曾武华、王伟、陈庆熠、王军芳、吴应雄、卓卫东六位学者于2024年发表于《振动工程学报》第37卷第6期，受福建省自然科学基金（2023J01131900、2022J011185）和国家自然科学基金（52378495）资助。研究将钢渣混凝土灌入中空夹层钢管混凝土结构，充分利用钢渣混凝土的微膨胀性和中空夹层内外钢管对混凝土的约束作用，有效解决了钢渣混凝土工程应用中的安定性问题。通过5个试件的拟静力试验和有限元分析，研究了混凝土类型、空心率、支主管直径比和轴压比对T形节点抗震性能的影响。

中空夹层钢管混凝土结构是一种创新的结构形式，其核心思想是在内外钢管之间形成夹层空间，灌注混凝土后形成双重约束效应。这种结构形式在抗震性能方面具有独特优势，同时也对钢管的制造精度、焊接质量和混凝土浇筑工艺提出了更高的要求。

试验参数与关键技术指标

本研究以混凝土类型、空心率、支主管直径比和轴压比为参数变量，进行了系统的拟静力试验研究。以下为关键试验参数的技术要点：

钢渣混凝土是一种以钢渣为主要掺合料或骨料替代品的混凝土。钢渣是钢铁冶炼过程中产生的冶金渣，具有良好的微膨胀性和后期强度发展特性。将钢渣混凝土应用于中空夹层钢管混凝土结构中，利用内外钢管的双重约束作用抑制钢渣的安定性膨胀，是一种巧妙的材料-结构协同设计思路。

抗震性能评价与关键发现

本文的核心发现揭示了中空夹层钢管钢渣混凝土T形节点的优异抗震性能：

1. 钢渣混凝土的延性和耗能优势：与灌注普通混凝土相比，灌注钢渣混凝土对试件节点承载力影响不大，但位移延性和耗能能力明显增加，提高幅度分别达69.46%和48.20%。这一发现具有重要的工程价值——钢渣混凝土的微膨胀性在钢管约束下转化为界面黏结增强效应，提高了节点的延性响应。
2. 空心率效应：当空心率从0.3增大到0.5时，试件位移延性系数提高9.69%。空心率的增大降低了夹层混凝土的约束压力，但同时也减小了混凝土的脆性破坏倾向，有利于延性变形。
3. 支主管直径比效应：当支主管直径比从0.40增大到0.68时，位移延性系数提高82.44%。支管直径的增大提供了更大的变形空间和更均匀的应力分布，显著提高了节点的延性。
4. 轴压比效应：当轴压比从0.1增大到0.2时，试件位移延性系数降低17.98%。轴压比的增大增加了节点的初始压应力，加速了混凝土的压碎和钢管的局部屈曲。
5. 最佳空心率：有限元参数分析表明，最佳空心率为70%左右。这一结果对中空夹层钢管混凝土结构的设计具有重要指导意义。

中空夹层钢管的制造与焊接工艺要求

中空夹层钢管混凝土T形节点的制作涉及内外两层钢管的制造、焊接以及夹层混凝土的浇筑，工艺复杂度高，质量控制难度大。以下为关键工艺要求：

从钢管制造与焊接工艺的角度来看，中空夹层钢管的制造面临以下特殊挑战：

1. 内外管的同轴度控制：内外钢管的同轴度偏差应控制在5 mm以内，否则会导致夹层混凝土厚度不均匀，影响约束效应和抗震性能。
2. 连接件的焊接变形控制：内外管之间的连接板焊接会产生局部变形，需要通过合理的焊接顺序和工装夹具控制变形量。建议采用对称焊接、跳焊等工艺措施。
3. 夹层混凝土的浇筑质量控制：夹层空间的狭窄（通常仅50~150 mm）对混凝土浇筑提出了特殊要求。应采用自密实混凝土，通过底部浇筑孔和顶部排气孔实现连续浇筑，确保夹层混凝土的密实度。
4. 钢渣混凝土的安定性控制：钢渣中的游离氧化钙（f-CaO）和游离氧化镁（f-MgO）是导致安定性不良的主要成分。通过内外钢管的双重约束，可以有效抑制钢渣的膨胀变形。但需要在钢渣处理工艺中控制f-CaO含量低于1.0%，f-MgO含量低于5.0%。

有限元模型与工程应用展望

本文建立了有限元模型对试件的滞回性能进行了模拟，模拟结果与试验结果基本符合，验证了模型的有效性。有限元模型中钢管的材料本构应采用双线性随动强化模型，以准确模拟钢管在循环荷载下的包辛格效应和塑性硬化行为。混凝土本构应采用损伤塑性模型，考虑混凝土的拉压非对称性和损伤演化。

从工程应用的角度来看，中空夹层钢管钢渣混凝土T形节点具有以下应用前景：

• 高层和超高层建筑的框架-核心筒结构节点；
• 大跨空间结构的柱-梁连接节点；
• 桥梁工程中的墩-梁连接节点；
• 抗震设防烈度较高地区的工业建筑节点。

钢渣在钢管混凝土结构中的应用，不仅解决了钢渣的资源化利用问题，还大幅提高了结构的抗震性能，实现了经济效益和环境效益的双赢。从钢管制造企业的角度来看，应加大对中空夹层钢管产品的研发力度，制定专门的制造标准和焊接工艺规程，推动这一创新结构形式的工程应用。

本文的研究为中空夹层钢管钢渣混凝土T形节点的抗震设计提供了系统的试验数据和理论依据，对推动钢管混凝土结构的创新发展具有重要的学术价值和工程意义。